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DE102011106812B4 - registration of anatomical data sets - Google Patents

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DE102011106812B4
DE102011106812B4 DE102011106812.4A DE102011106812A DE102011106812B4 DE 102011106812 B4 DE102011106812 B4 DE 102011106812B4 DE 102011106812 A DE102011106812 A DE 102011106812A DE 102011106812 B4 DE102011106812 B4 DE 102011106812B4
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volume data
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bone
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José Luis Moctezuma de La Barrera
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Stryker European Operations Holdings LLC
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Abstract

Ein computergestütztes Verfahren zur Registrierung von Daten, die mit einem ersten Datensatz assoziiert sind, in einem zweiten Datensatz, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Erfassung eines ersten Datensatzes von einer anatomischen Struktur mit einem bildverarbeitenden Gerät;
Entwicklung zusätzlicher Daten für den ersten Datensatz, wobei die zusätzlichen Daten in einer einzigartigen identifizierbaren räumlichen Relation zur Struktur des ersten Datensatzes stehen, wobei die zusätzlichen Daten einen Gravitationsvektor umfassen;
Erstellung eines ersten willkürlichen Bezugssystems für den ersten Datensatz, wobei das erste Bezugssystem ohne Bezugnahme auf einen vorgewählten Orientierungspunkt in der Struktur erstellt wird und das erste Bezugssystem in einer einzigartigen räumlichen Beziehung zum ersten Datensatz steht;
Erfassung eines zweiten Datensatzes der anatomischen Struktur mit einem bildverarbeitenden Gerät;
Erstellung eines zweiten willkürlichen Bezugssystems für den zweiten Datensatz;
Transformation des ersten Bezugssystems zum zweiten Bezugssystem durch Zuordnung eines einzigartigen räumlichen Parameters des ersten Datensatzes zu dem gleichen einzigartigen räumlichen Parameter des zweiten Datensatzes, und
Registrierung der zusätzlichen Daten im zweiten Datensatz.

Figure DE102011106812B4_0000
A computerized method for registering data associated with a first data set in a second data set, the method comprising the steps of:
Acquiring a first data set of an anatomical structure with an image processing device;
developing additional data for the first data set, the additional data being in a uniquely identifiable spatial relationship to the structure of the first data set, the additional data comprising a gravity vector;
Creating a first arbitrary reference system for the first data set, the first reference system being created without reference to a preselected landmark in the structure, the first reference system being in a unique spatial relationship to the first data set;
Acquiring a second data set of the anatomical structure using an image processing device;
Creating a second arbitrary reference system for the second data set;
Transforming the first reference system to the second reference system by assigning a unique spatial parameter of the first data set to the same unique spatial parameter of the second data set, and
Registration of the additional data in the second data set.
Figure DE102011106812B4_0000

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Systeme und Methoden um anatomische Bilddatensätze zu registrieren und um anatomische Daten zwischen anatomischen Bilddatensätzen in Relation zu setzen.The present invention relates to systems and methods for registering anatomical image data sets and for relating anatomical data between anatomical image data sets.

2. Beschreibung des Hintergrunds der Erfindung2. Description of the background of the invention

Es existieren verschiedene Techniken, um bei computergestützten Operationsverfahren patientenbezogene Daten über verschiedene Modalitäten und/oder verschiedene Zeiträume hinweg zu registrieren. Solche patientenbezogenen Daten können zum Beispiel anatomische Daten oder Bilddaten unter Verwendung einer Vielzahl von bildverarbeitenden Verfahren oder Modalitäten wie Ultraschall, Magnetresonanztomographie („MRI“), Computertomographie („CT“), Single Photon Emission Computertomographie, Positronen-Emissions-Tomographie usw. beinhalten. Eine Technik, um patientenbezogene Daten über verschiedene Modalitäten hinweg zu registrieren, ist ein „punktbasiertes“ oder „paarweises“ Zuordnungsverfahren, wobei Orientierungspunkte oder Passermarken, die über verschiedene Modalitäten hinweg identifiziert werden können, verwendet werden, um eine Transformationsmatrix zu bestimmen und eine räumliche Beziehung zwischen den verschiedenen Modalitäten herzustellen. In einem Beispiel werden vor einem Bildscan, zum Beispiel einer MRT- oder CT-Untersuchung, Orientierungspunkte oder Passermarken auf einem Patienten platziert, und solche Orientierungspunkte oder Passermarken werden während eines chirurgischen Eingriffs im Bildscan und auf dem Patienten gekennzeichnet, um die Registrierung zwischen dem Patienten und den patientenbezogenen Daten aus dem Bildscan zu etablieren.Various techniques exist for registering patient-related data across different modalities and/or different time periods in computer-assisted surgical procedures. Such patient-related data may include, for example, anatomical data or image data using a variety of imaging techniques or modalities such as ultrasound, magnetic resonance imaging ("MRI"), computed tomography ("CT"), single photon emission computed tomography, positron emission tomography, etc. One technique for registering patient-related data across different modalities is a "point-based" or "pairwise" matching technique, where landmarks or fiducials that can be identified across different modalities are used to determine a transformation matrix and establish a spatial relationship between the different modalities. In one example, landmarks or fiducials are placed on a patient prior to an image scan, such as an MRI or CT scan, and such landmarks or fiducials are marked in the image scan and on the patient during a surgical procedure to establish registration between the patient and patient-related data from the image scan.

Bei einem anderen Verfahren wird die Oberflächenregistrierung verwendet, wobei mehrere Oberflächenpunkte einer relevanten Struktur oder Region verwendet werden um eine Registrierungsoberfläche zu schaffen. Die Oberflächenpunkte werden unabhängig voneinander in verschiedenen Modalitäten gekennzeichnet, oft mit Hilfe unterschiedlicher Verfahren. In einer Ausgestaltung wird das Verfahren der Oberflächenregistrierung bei der Hals-Nasen-Ohren-Chirurgie eingesetzt, wobei das Gesicht eines Patienten als Registrierungsoberfläche verwendet wird. Es wird zum Beispiel ein CT- oder MRT-Scan des Gesichts des Patienten erstellt und die Hautoberfläche im Scan gekennzeichnet und anschließend während der Operation digitalisierten Punkten auf dem Gesicht des Patienten zugeordnet. Solche digitalisierten Punkte können entweder direkt mit einem Digitalisierungsgerät, z. B. einem Zeiger erfasst werden, oder indirekt über eine Registrierungsmaske,Another method uses surface registration, where multiple surface points of a relevant structure or region are used to create a registration surface. The surface points are independently marked in different modalities, often using different methods. In one embodiment, the surface registration method is used in ENT surgery, where a patient's face is used as a registration surface. For example, a CT or MRI scan of the patient's face is created and the skin surface is marked in the scan and then assigned to digitized points on the patient's face during surgery. Such digitized points can be captured either directly with a digitizing device, e.g. a pointer, or indirectly via a registration mask,

Die obigen Registrierungsverfahren dienen im Allgemeinen nur dazu, patientenbezogene Daten von einer Modalität zu einer anderen Modalität zu registrieren. Meist registrieren die Registrierungsverfahren während einer Operation präoperative Bilddaten eines Patienten zur Anatomie des Patienten, um chirurgische Instrumente zu lokalisieren, die zur Durchführung der Operation verwendet werden.The above registration methods are generally only used to register patient-related data from one modality to another modality. Most often, during surgery, the registration methods register a patient's preoperative image data about the patient's anatomy in order to locate surgical instruments used to perform the surgery.

Bei einigen Arten von Eingriffen, wie den Verfahren im Zusammenhang mit Muskel-Skelett-Erkrankungen, spielen biomechanische und funktionelle Daten zu Gelenken eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Ausmaßes oder der Ursache einer Erkrankung. Solche Daten werden in der Regel durch eine Bewegungsanalyse erfasst. In einem Beispiel für eine Bewegungsanalyse werden Passermarken auf die Haut eines zu analysierenden Körperteils gesetzt. Ein Navigationssystem verfolgt die Passermarken, während das Körperteil bewegt wird, und die Bewegung der Passermarken wird analysiert um ein biomechanisches Modell des Körperteils zu erstellen. Ein offensichtlicher Nachteil dieser Technologie ist, dass die Passermarken nicht direkt mit den zugrunde liegenden Knochenstrukturen in Zusammenhang stehen und dass während der Bewegung Verschiebungen der Haut oder weicher Gewebe auftreten. Solche Verschiebungen können zu relativ großen Bewegungsartefakten und Ungenauigkeiten in den Ergebnissen der Bewegungsanalyse und des erstellten biomechanischen Modells beitragen.In some types of interventions, such as those related to musculoskeletal disorders, biomechanical and functional data about joints play an important role in determining the extent or cause of a condition. Such data is typically acquired through motion analysis. In an example of motion analysis, fiducials are placed on the skin of a body part to be analyzed. A navigation system tracks the fiducials as the body part is moved, and the motion of the fiducials is analyzed to create a biomechanical model of the body part. An obvious disadvantage of this technology is that the fiducials are not directly related to the underlying bone structures and that displacements of the skin or soft tissues occur during movement. Such displacements can contribute to relatively large motion artifacts and inaccuracies in the results of the motion analysis and the created biomechanical model.

Eine Technik, um die Verschiebung in weichen Geweben zu überwinden, ist die direkte Implantation von Passermarken, zum Beispiel kleinen Tantalperlen, auf den Knochen des Patienten, wobei die Passermarken während der Bewegung des Körperteils des Patienten mit Stereoradiographie-Techniken verfolgt werden. Einige der offensichtlichen Nachteile dieser Technik bestehen darin, dass ein chirurgischer Eingriff zur Implantation der Perlen erforderlich ist und dass zur Bewegungsanalyse ionisierende Energie verwendet wird.One technique to overcome displacement in soft tissues is to implant fiducials, such as small tantalum beads, directly onto the patient's bone, with the fiducials being tracked using stereoradiography techniques during movement of the patient's body part. Some of the obvious disadvantages of this technique are that surgery is required to implant the beads and that ionizing energy is used for motion analysis.

Außerdem kann eine Bewegungsanalyse während eines chirurgischen Eingriffs, wenn die Bewegung des Gliedes passiv ist, funktionelle Daten der Gelenke möglicherweise nicht adäquat erfassen. Wenn zum Beispiel ein Chirurg die Gliedmaßen eines Patienten bewegt oder wenn der Patient narkotisiert ist und auf einem Operationstisch liegt, sind keine willentlichen Muskelkräfte aktiv, um den Auswirkungen der Schwerkraft auf die Körpermassen entgegenzuwirken.In addition, motion analysis during a surgical procedure when the movement of the limb is passive may not adequately capture functional data of the joints. For example, when a surgeon moves a patient's limbs or when the patient is anesthetized and lying on an operating table, no voluntary muscle forces are active to counteract the effects of gravity on the body masses.

Da die chirurgischen Verfahren bei Muskel-Skelett-Erkrankungen beginnen, sich von rein statischen Erwägungen weg und hin zu einer funktionelleren Beurteilung der Gelenke und zur frühzeitigen Intervention zu bewegen, wird die Fähigkeit, funktioneller Daten im Zusammenhang mit Gelenken zu erfassen und diese Daten auf einfache Weise zur Planung und Durchführung von chirurgischen Eingriffen in Relation zu setzen, immer wichtiger.As surgical procedures for musculoskeletal disorders begin to move away from purely static considerations and toward more functional joint assessment and early intervention, the ability to collect functional data related to joints and easily relate these data to the planning and execution of surgical procedures is becoming increasingly important.

Der Wikipedia-Eintrag „ Bildregistrierung“, URL:https://de.wikipedia.org/w/index. php?title=Bildregistrierung&oldid=76480840 (Version vom 09.07.2010 ) führt aus, dass Bildregistrierung ein wichtiger Prozess in der digitalen Bildverarbeitung ist und dazu benutzt wird, zwei oder mehrere Bilder derselben Szene, oder zumindest ähnlicher Szenen, bestmöglich in Übereinstimmung miteinander zu bringen. Dabei wird eines der Bilder als Referenzbild festgelegt und die anderen Bilder sind dann die Objektbilder. Es wird dann eine Transformation berechnet, die die Objektbilder bestmöglich an das Referenzbild anpasst. Die zu registrierenden Bilder unterscheiden sich voneinander, weil sie von unterschiedlichen Positionen, zu unterschiedlichen Zeitpunkten oder mit unterschiedlichen Sensoren aufgenommen wurden. Bildregistrierungsverfahren sind vor allem in der medizinischen Bildverarbeitung häufig anzutreffen. Dort werden Bilder, die mit verschiedenen bildgebenden Verfahren (Modalitäten) gewonnen wurden, aneinander angeglichen. Ferner werden verschiedene flächenbasierte und merkmalsbasierte Verfahren zur Merkmalsanpassung sowie verschiedene Modelle zur Transformationsberechnung beschrieben.The Wikipedia entry “ Image registration”, URL:https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Bildregistrierung&oldid=76480840 (version from 09.07.2010 ) explains that image registration is an important process in digital image processing and is used to bring two or more images of the same scene, or at least similar scenes, into the best possible match. One of the images is set as the reference image and the other images are then the object images. A transformation is then calculated that adapts the object images to the reference image as best as possible. The images to be registered differ from one another because they were taken from different positions, at different times or with different sensors. Image registration methods are particularly common in medical image processing. There, images obtained using different imaging methods (modalities) are aligned with one another. Furthermore, various area-based and feature-based methods for feature matching as well as various models for calculating transformations are described.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung werden computergestützte Verfahren zur Registrierung von Daten, computergestützte Verfahren zur Assoziierung räumlicher Daten, Systeme zur Erfassung und Bearbeitung eines Volumendatensatzes von einer anatomischen Struktur, und ein Verfahren zur Erstellung einer Position eines Teils eines Knochens gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereitgestellt. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.According to aspects of the present disclosure, computer-aided methods for registering data, computer-aided methods for associating spatial data, systems for acquiring and processing a volume dataset from an anatomical structure, and a method for establishing a position of a portion of a bone are provided according to the independent claims. Preferred embodiments are set out in the dependent claims.

Entsprechend einiger Aspekte wird eine computergestützte Methode um Daten, die mit einem ersten Datensatz verbunden sind, zu einem zweiten Datensatz zu registrieren, offenbart. Die Methode umfasst die Schritte der Erfassung eines erstes Datensatzes einer anatomischen Struktur mit einem bildverarbeitenden Gerät, der Entwicklung zusätzlicher Daten für den ersten Datensatz, wobei die zusätzlichen Daten eine einzigartige identifizierbare räumliche Relation zu der Struktur des ersten Datensatzes haben, und die Erstellung eines ersten willkürlichen Bezugssystems für den ersten Datensatz. Das erste Bezugssystem wird ohne Bezugnahme auf irgendeinen vorgewählten Orientierungspunkt in der Struktur erstellt, und das erste Bezugssystem hat eine einzigartige räumliche Beziehung zum ersten Datensatz. Das Verfahren umfasst auch die Schritte der Erfassung eines zweiten Datensatzes einer anatomischen Struktur mit einem bild verarbeitenden Gerät, die Erstellung eines zweiten willkürlichen Bezugssystems für den zweiten Datensatz, und die Transformation des ersten Bezugssystem auf das zweite Bezugssystem, indem je einem einzigartigen räumlichen Parameter des ersten Datensatzes der gleiche einzigartige räumlichen Parameter des zweiten Datensatzes zugeordnet und die zusätzlichen Daten im zweiten Datensatz registriert werden.According to some aspects, a computer-assisted method for registering data associated with a first data set to a second data set is disclosed. The method includes the steps of acquiring a first data set of an anatomical structure with an image processing device, developing additional data for the first data set, the additional data having a unique identifiable spatial relationship to the structure of the first data set, and establishing a first arbitrary reference frame for the first data set. The first reference frame is established without reference to any preselected landmark in the structure, and the first reference frame has a unique spatial relationship to the first data set. The method also includes the steps of acquiring a second data set of an anatomical structure with an image processing device, establishing a second arbitrary reference frame for the second data set, and transforming the first reference frame to the second reference frame by associating each unique spatial parameter of the first data set with the same unique spatial parameter of the second data set and registering the additional data in the second data set.

Entsprechend anderer Aspekte wird eine computergestützte Methode offenbart, um räumliche Daten im Zusammenhang mit einem ersten Volumendatensatz einer anatomischen Struktur mit einem zweiten Volumendatensatz der anatomischen Struktur zu assoziieren. Die Methode umfasst die Schritte der Erfassung eines ersten Volumendatensatzes der anatomischen Struktur mit einem computergestützten chirurgischen Navigationssystem, die Zuweisung eines ersten willkürlichen Bezugssystems zum ersten Volumendatensatz, der Berechnung einer inhärenten Eigenschaft des ersten Volumendatensatzes, die Korrelation der inhärenten Eigenschaft mit dem ersten willkürlichen Bezugssystem und die Assoziierung zusätzlicher räumlicher Daten mit dem ersten Volumendatensatz. Die inhärente Eigenschaft hat eine einzigartige Position und Ausrichtung in Bezug auf die anatomische Struktur, die von jeder Referenzposition aus identifiziert werden kann, und die zusätzlichen räumlichen Daten haben eine einzigartige räumliche Beziehung korreliert mit dem ersten willkürlichen Bezugssystem. Das Verfahren umfasst ferner die Schritte der Erfassung eines zweiten Datensatzes der anatomischen Struktur mit einem computergestützten chirurgischen Navigationssystem, die Zuweisung eines zweiten willkürlichen Bezugssystems zum zweiten Datensatz, die Identifikation des inhärenten Merkmals im zweiten Datensatz und die Korrelation der inhärenten Eigenschaft mit dem zweiten willkürlichen Bezugssystem. Das Verfahren umfasst auch die Schritte der Registrierung des ersten Volumendatensatzes mit dem zweiten Volumendatensatz basierend auf der inhärenten Eigenschaft, die Korrelation der zusätzlichen räumlichen Daten mit dem zweiten Datensatz bei der Registrierung darin, und die Anzeige der zusätzlichen räumlichen Daten, die im zweiten Datensatz registriert wurden, auf einem Anzeigegerät. Der Registrierungsschritt wird von einem Computer ausgeführt.According to other aspects, a computer-aided method is disclosed for associating spatial data associated with a first volume dataset of an anatomical structure with a second volume dataset of the anatomical structure. The method includes the steps of acquiring a first volume dataset of the anatomical structure with a computer-aided surgical navigation system, assigning a first arbitrary reference system to the first volume dataset, computing an inherent property of the first volume dataset, correlating the inherent property with the first arbitrary reference system, and associating additional spatial data with the first volume dataset. The inherent property has a unique position and orientation with respect to the anatomical structure that can be identified from any reference position, and the additional spatial data has a unique spatial relationship correlated with the first arbitrary reference system. The method further comprises the steps of acquiring a second data set of the anatomical structure with a computer-assisted surgical navigation system, assigning a second arbitrary reference system to the second data set, identifying the inherent feature in the second data set, and correlating the inherent property with the second arbitrary reference system. The method also comprises the steps of registering the first volume data set with the second volume data set based on the inherent property, correlating the additional spatial data with the second data set upon registration thereto, and displaying the additional spatial data registered in the second data set on a display device. The registration step is performed by a computer.

Entsprechend weiterer Aspekte umfasst ein System zur Erfassung und Bearbeitung eines Volumendatensatzes von einer anatomischen Struktur Mittel zur Erfassung eines ersten Volumendatensatzes einer anatomischen Struktur eines Patienten und eines zweiten Volumendatensatzes der anatomischen Struktur und Mittel zur Berechnung einer inhärenten Eigenschaft des ersten Volumendatensatzes und des zweiten Volumendatensatzes. Die inhärente Eigenschaft hat eine einzigartige Position und Ausrichtung in Bezug auf die anatomische Struktur, die von jeder Referenzposition aus identifiziert werden kann. Das System umfasst weiterhin Mittel zur Zuweisung eines ersten willkürlichen Bezugssystems zum ersten Volumendatensatz und eines zweiten willkürlichen Bezugssystems zum zweiten Volumendatensatz, Mittel zur Korrelation der inhärenten Eigenschaft mit dem ersten willkürlichen Bezugssystem und Mittel für die Assoziierung zusätzlicher räumlicher Daten mit dem ersten Volumendatensatz, Die zusätzlichen räumlichen Daten haben eine einzigartige räumliche Beziehung korreliert mit dem ersten willkürlichen Bezugssystem, Das System umfasst auch Mittel zur Registrierung des ersten Volumendatensatzes mit dem zweiten Volumendatensatz auf der Grundlage der inhärenten Eigenschaft und Mittel zur Korrelation der zusätzlichen räumlichen Daten mit dem zweiten Volumendatensatz bei der Registrierung darin.According to further aspects, a system for recording and processing a volume volume data set of an anatomical structure, means for acquiring a first volume data set of an anatomical structure of a patient and a second volume data set of the anatomical structure, and means for calculating an inherent property of the first volume data set and the second volume data set. The inherent property has a unique position and orientation with respect to the anatomical structure that can be identified from any reference position. The system further comprises means for assigning a first arbitrary reference frame to the first volume data set and a second arbitrary reference frame to the second volume data set, means for correlating the inherent property with the first arbitrary reference frame, and means for associating additional spatial data with the first volume data set, the additional spatial data having a unique spatial relationship correlated with the first arbitrary reference frame, The system also comprises means for registering the first volume data set with the second volume data set based on the inherent property, and means for correlating the additional spatial data with the second volume data set upon registration therewith.

Entsprechend weiterer Aspekte umfasst ein Verfahren zur Festlegung einer Position eines Teils eines Knochens, der aus einer normalen Form verändert wurde, den Schritt der Erfassung eines ersten Volumendatensatzes für einen ersten Knochen, der unverändert ist, wobei der erste Volumendatensatz Volumendaten für den ersten und zweiten Teil des ersten Knochens umfasst. Das Verfahren umfasst auch die Schritte der Identifizierung eines ersten einzigartigen räumlichen Merkmals der Volumendaten für den ersten Teil des ersten Knochens, zur Festlegung eines ersten willkürlichen Bezugssystems für den ersten Volumendatensatz, korreliert mit dem ersten einzigartigen räumlichen Merkmal und der Identifizierung einer einzigartigen räumlichen Beziehung zwischen dem ersten willkürlichen Bezugssystem und dem zweiten Teil des ersten Knochens. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt der Identifizierung eines zweiten Knochens, der normalerweise den ersten Knochen über eine Mittelachse spiegelt, wobei der zweite Knochen einen ersten Teil und einen zweiten Teil umfasst, die im Wesentlichen als Spiegelstrukturen jeweils dem ersten und zweiten Teil des ersten Knochens entsprechen, und wobei der zweite Knochen so aus einer normalen Form verändert wurde, dass der erste Teil des zweiten Knochens sich in einer veränderten Lage gegenüber dem zweiten Teil des zweiten Knochens befindet. Das Verfahren umfasst ferner die Schritte der Erfassung eines zweiten Volumendatensatzes des ersten Teils des zweiten Knochens, die Identifizierung eines zweiten einzigartigen räumlichen Merkmals des zweiten Volumendatensatzes, wobei das zweite einzigartige räumliche Merkmal im Wesentlicheren das erste eindeutige räumliche Merkmal widerspiegelt, die Registrierung des ersten Volumendatensatzes in gespiegelter Korrelation mit dem zweiten Volumendatensatz durch Korrelation des ersten einzigartigen räumlichen Merkmals mit dem zweiten einzigartigen räumlichen Merkmal und die Wiederherstellung der normalen Position des zweiten Teils des zweiten Knochens entsprechend der Position des zweiten Teils des ersten Knochens in Bezug auf die registrierte Position des ersten Teils des ersten Knochens,According to further aspects, a method for determining a position of a portion of a bone that has been altered from a normal shape includes the step of acquiring a first volume data set for a first bone that is unaltered, the first volume data set comprising volume data for the first and second portions of the first bone. The method also includes the steps of identifying a first unique spatial feature of the volume data for the first portion of the first bone, establishing a first arbitrary reference frame for the first volume data set correlated with the first unique spatial feature, and identifying a unique spatial relationship between the first arbitrary reference frame and the second portion of the first bone. The method further includes the step of identifying a second bone that normally mirrors the first bone about a central axis, the second bone comprising a first portion and a second portion that substantially correspond as mirror structures to the first and second portions of the first bone, respectively, and the second bone has been altered from a normal shape such that the first portion of the second bone is in an altered position relative to the second portion of the second bone. The method further comprises the steps of acquiring a second volume data set of the first portion of the second bone, identifying a second unique spatial feature of the second volume data set, the second unique spatial feature more substantially reflecting the first unique spatial feature, registering the first volume data set in mirrored correlation with the second volume data set by correlating the first unique spatial feature with the second unique spatial feature, and restoring the normal position of the second portion of the second bone corresponding to the position of the second portion of the first bone with respect to the registered position of the first portion of the first bone,

Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich.Further aspects and advantages of the present invention will become apparent upon consideration of the following detailed description.

EINE KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENA BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

  • 1 ist eine schematische Darstellungen einer Ausgestaltung eines chirurgischen Navigationssystems, das so angepasst ist, dass es die Methoden der vorliegenden Erfindung umsetzt; 1 is a schematic representation of one embodiment of a surgical navigation system adapted to implement the methods of the present invention;
  • Die 2 und 2a sind Flussdiagramme von Registrierungsverfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung;The 2 and 2a are flowcharts of registration methods according to the present invention;
  • Die 3A, 3B und 3C zeigen die Entwicklung zusätzlicher räumlicher Daten für eine anatomische Struktur, dargestellt an einem ersten Datensatz und der Relation dieser Daten zu einem zweiten Datensatz;The 3A , 3B and 3C show the development of additional spatial data for an anatomical structure, represented by a first data set and the relation of this data to a second data set;
  • 4A ist ein Beispiel Bildschirmabbild und 4B und 4C sind visuelle Darstellungen, die die Datenerfassung und Registrierung darstellen; 4A is an example screenshot and 4B and 4C are visual representations that illustrate data collection and registration;
  • 5 zeigt die Entwicklung zusätzlicher räumlicher Daten für eine erste anatomische Struktur und die Relation dieser Daten zu einer zweiten anatomischen Struktur, die die erste anatomische Struktur widerspiegelt; 5 shows the development of additional spatial data for a first anatomical structure and the relation of these data to a second anatomical structure that reflects the first anatomical structure;
  • Die 6A und 6B zeigen ein Beispiel für ein präoperativ definiertes anatomischen Referenzsystem, das während eines chirurgischen Eingriffs nicht zugänglich ist undThe 6A and 6B show an example of a preoperatively defined anatomical reference system that is not accessible during a surgical procedure and
  • Die 7A und 7B zeigen ein Beispiel für die Bestimmung funktioneller Bewegungsparameter einer Hüfte eines Patienten,The 7A and 7B show an example of the determination of functional movement parameters of a patient’s hip,

EINE DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENA DETAILED DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Die Systeme und Methoden der vorliegenden Erfindung können dazu verwendet werden, um verschiedene Datensätze im Zusammenhang mit einer oder mehreren Strukturen eines Patienten zu registrieren und/oder zusätzliche Daten von einem solchen Datensatz zu einem anderen solchen Datensatz in Relation zu setzen, wobei die zusätzlichen Daten möglicherweise nicht verfügbar oder für den anderen Datensatz praktisch nicht erhältlich sind. In vielen Fällen werden Positionsdaten nicht aneinander grenzender Regionen des Körpers miteinander verbunden, ohne das es erforderlich wird, lokale anatomische Bezugssysteme zu identifizieren oder sich aufgrund vordefinierter anatomischer Orientierungspunkte auf sie zu beziehen. In einer Anwendung werden funktionelle Daten aus einem Datensatz auf einem anderen Datensatz bezogen, um die Durchführung einer funktionellen Beurteilung einer Struktur zu erleichtern. Zum Beispiel kann die Struktur eine anatomische Struktur, wie ein Knochen oder Gelenk eines Patienten, sein und der Volumendatensatz kann ein Bilddatensatz des Knochens oder der Knochen sein, der unter Verwendung einer Ultraschallsonde oder eines anderen bekannten bildverarbeitenden Verfahrens oder anderer bekannter Modalitäten erfasst wurde. Die funktionellen Daten, die für die anatomische Struktur aus einem präoperativen Bilddatensatz entwickelt wurden, können zu einem intraoperativen Bilddatensatz in Bezug gesetzt werden, um bei der Planung und Durchführung von chirurgischen Eingriffen zu helfen oder die frühzeitige Erkennung und Vorbeugung von gewissen Krankheiten oder schädlichen Bedingungen zu erleichtern. In einer weiteren Ausgestaltung können auch andere Daten genutzt werden, zum Beispiel zur Wiederherstellung eines anatomischen Bezugssystems, das in einem Datensatz verfügbar ist, aber nicht in einem anderen. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit, unterschiedliche Datensätze für eine Struktur zu registrieren, ohne das vordefinierte Orientierungspunkte oder Passermarken in der Struktur erforderlich sind. Stattdessen werden beliebige Bezugssysteme für verschiedene Datensätze erstellt und verwendet um solche Datensätze zu registrieren.The systems and methods of the present invention can be used to register various data sets related to one or more structures of a patient. rify and/or relate additional data from one such data set to another such data set, where the additional data may be unavailable or impractical for the other data set. In many cases, positional data from non-contiguous regions of the body are related without the need to identify or refer to local anatomical reference systems based on predefined anatomical landmarks. In one application, functional data from one data set is related to another data set to facilitate performing a functional assessment of a structure. For example, the structure may be an anatomical structure, such as a bone or joint of a patient, and the volume data set may be an image data set of the bone or bones acquired using an ultrasound probe or other known imaging technique or modality. The functional data developed for the anatomical structure from a preoperative image dataset can be related to an intraoperative image dataset to assist in planning and performing surgical procedures or to facilitate early detection and prevention of certain diseases or harmful conditions. In a further embodiment, other data can also be used, for example to recreate an anatomical reference system that is available in one dataset but not in another. Another aspect of the present invention is the ability to register different datasets for a structure without requiring predefined landmarks or fiducials in the structure. Instead, arbitrary reference systems are created for different datasets and used to register such datasets.

Jetzt zu den Zeichnungen. 1 ist eine schematische Darstellung eines chirurgischen Navigationssystems 20, entsprechend angepasst um die Schritte des hier offenbarten Verfahrens (der hier offenbarten Verfahren) durchzuführen. Das chirurgische Navigationssystem 20 umfasst eine Anzeigeeinheit 22, ein Computersystem 24 und eine Kameraanordnung 26. In der vorliegenden Ausgestaltung ist das Computersystem 20 in einem beweglichen Wagen 28 untergebracht. Das Computersystem 24 kann zum Beispiel jede Art von Computer mit einer Speichereinheit, einem Prozessor und einem Speicher sein (alle nicht gezeigt), wie es für einen Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich wäre. Die Anzeigeeinheit 22 kann jeder herkömmliche Bildschirm sein, der mit dem Computersystem 24 verwendbar ist, wie beispielsweise ein Standardcomputerbildschirm oder Fernseher. Ein Beispiel für ein chirurgisches Navigationssystem ist das Stryker Navigationssystem, das bei der Stryker Corporation erhältlich ist.Now to the drawings. 1 is a schematic representation of a surgical navigation system 20 adapted to perform the steps of the method(s) disclosed herein. The surgical navigation system 20 includes a display unit 22, a computer system 24, and a camera assembly 26. In the present embodiment, the computer system 20 is housed in a movable cart 28. The computer system 24 may, for example, be any type of computer having a storage unit, a processor, and a memory (all not shown), as would be apparent to one of ordinary skill in the art. The display unit 22 may be any conventional display usable with the computer system 24, such as a standard computer monitor or television. An example of a surgical navigation system is the Stryker Navigation System, available from Stryker Corporation.

Das chirurgische Navigationssystem 20 ist entsprechend angepasst, um Bilddaten eines Patienten 30 zu erfassen. In einer Ausgestaltung werden die Bilddaten von einer Ultraschallsonde 32 erfasst, von einem Benutzer 34, wie etwa einem Chirurgen oder einer Krankenschwester bearbeitet und per Funk an das Computersystem 24 übermittelt. Alternativ oder zusätzlich kann ein System verwendet werden, das Kabel für die Datenübertragung zwischen der Ultraschallsonde 32 und dem Computersystem 24 verwendet. In der vorliegenden Ausgestaltung stellt die Ultraschallsonde 32 ein nicht invasives, nicht ionisierendes und tragbares Bildgebungsverfahren dar, um Bilddaten des Patienten 30 zu erfassen. Ferner stellt die Ultraschallsonde 32 Bilddaten der darunter liegenden Knochen zur Verfügung, um Bewegungsartefakte aufgrund von Hautverschiebungen zu vermeiden. Allerdings können in anderen Ausgestaltungen Bilddaten auch mit jedem anderen Bildgebungsverfahren oder akzeptablen Modalitäten, wie Magnetresonanztomographie („MRI“), Computertomographie („CT“), Single Photon Emission Computertomographie, Positronen-Emissions-Tomographie und dergleichen erfasst werden.The surgical navigation system 20 is adapted to acquire image data of a patient 30. In one embodiment, the image data is acquired by an ultrasound probe 32, processed by a user 34, such as a surgeon or nurse, and transmitted wirelessly to the computer system 24. Alternatively or additionally, a system may be used that uses cables to transmit data between the ultrasound probe 32 and the computer system 24. In the present embodiment, the ultrasound probe 32 provides a non-invasive, non-ionizing and portable imaging method for acquiring image data of the patient 30. Furthermore, the ultrasound probe 32 provides image data of the underlying bones to avoid motion artifacts due to skin shifting. However, in other embodiments, image data may also be acquired using any other imaging technique or acceptable modalities, such as magnetic resonance imaging ("MRI"), computed tomography ("CT"), single photon emission computed tomography, positron emission tomography, and the like.

Die Kameraanordnung 26 ist entsprechend angepasst, um die Position eines Sensors 36, der mit der Ultraschallsonde 32 gekoppelt ist, zu erkennen, um die Position und Ausrichtung einer solchen Ultraschall Sonde 32 zu verfolgen. Als nicht ausschließliche Beispiele kann der Sensor 36 aus einer oder mehreren Leuchtdioden („LEDs“) bestehen, zur Kameraanordnung 26 kann eine erste Kamera 38, eine zweite Kamera 40 und eine dritte Kamera 42 gehören und die erste, zweite und dritte Kamera, nämlich 38, 40, 42, können drei CCD-Kameras sein, die entsprechend angepasst sind, um Infrarot („IR“) Signale zu erkennen, die vom Sensor 36 erzeugt werden. Obwohl hier nicht gezeigt, kann der Benutzer 34 weitere chirurgische Geräte und Instrumente einsetzen, die geeignet sind, von der Kameraanordnung 26 in der gleichen Weise wie die UltraschallSonde 32 verfolgt zu werden. Diese zusätzlichen chirurgischen Geräte und Instrumente können Sensoren 36 haben, die beispielsweise aus Leuchtdioden bestehen, die entweder in das Gerät oder Instrument eingebaut oder physisch damit verbunden sind in einer bekannten oder bestimmbaren Position und Ausrichtung, die zur Verfolgung der Position der Instrumente ausreicht.The camera assembly 26 is adapted to detect the position of a sensor 36 coupled to the ultrasound probe 32 to track the position and orientation of such ultrasound probe 32. As non-exclusive examples, the sensor 36 may be comprised of one or more light emitting diodes ("LEDs"), the camera assembly 26 may include a first camera 38, a second camera 40, and a third camera 42, and the first, second, and third cameras 38, 40, 42 may be three CCD cameras adapted to detect infrared ("IR") signals generated by the sensor 36. Although not shown here, the user 34 may employ other surgical devices and instruments adapted to be tracked by the camera assembly 26 in the same manner as the ultrasound probe 32. These additional surgical devices and instruments may have sensors 36, such as light emitting diodes, either built into the device or instrument or physically connected thereto in a known or determinable position and orientation sufficient to track the position of the instruments.

Die Kameraanordnung 26 ist auf einem drehbaren Arm 44 montiert, der an dem beweglichen Wagen 28 befestigt ist, so dass die Kameraanordnung 26 eine ausreichende Sichtverbindung zu einem relevanten Bereich hat, in dem ein Eingriff erfolgen wird. In anderen Ausgestaltungen kann die Kameraanordnung 26 an einer Wand eines OP-Saals angebracht werden (nicht dargestellt) oder an einer anderen geeigneten Oberfläche oder Stelle.The camera assembly 26 is mounted on a rotatable arm 44 which is attached to the movable carriage 28 so that the camera assembly 26 has a sufficient line of sight to a relevant area in which an intervention In other embodiments, the camera assembly 26 may be mounted on a wall of an operating room (not shown) or on another suitable surface or location.

Das chirurgische Navigationssystem 20 kann ein aktives optisches System sein, das mindestens einen Infrarotsender und -empfänger beinhaltet, der verwendet wird um Daten von und zum Sensor 36 zu übermitteln. Zum Beispiel enthält in der vorliegenden Ausgestaltung die Kameraanordnung einen ersten Sender und Empfänger 46 und einem zweiten Sender und Empfänger 48, die getrennt voneinander angebracht sind. Obwohl die vorliegende Erfindung so beschrieben wird, dass sie ein aktives optisches chirurgisches Navigationssystem verwendet, können die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung auch mit anderen chirurgischen Navigationstechnologien und -systemen, wie z. B. passiven optischen Systemen, magnetischen Systemen, Trägheitsnavigationssystemen und dergleichen verwendet werden. Es können auch andere computergestützte Systeme verwendet werden, einschließlich von RFID-basierten Systemen, Video-Bilderzeugungssystemen und dergleichen.The surgical navigation system 20 may be an active optical system that includes at least one infrared transmitter and receiver used to communicate data to and from the sensor 36. For example, in the present embodiment, the camera assembly includes a first transmitter and receiver 46 and a second transmitter and receiver 48 that are mounted separately from one another. Although the present invention is described as using an active optical surgical navigation system, the systems and methods of the present invention may also be used with other surgical navigation technologies and systems, such as passive optical systems, magnetic systems, inertial navigation systems, and the like. Other computer-based systems may also be used, including RFID-based systems, video imaging systems, and the like.

Die Kameraanordnung 26 ist über ein Kabel 50 mit einem Localizer (nicht dargestellt) oder in einigen Fällen direkt mit dem Computersystem 24 verbunden. Der Localizer arbeitet mit der Kameraanordnung 26 zusammen, um die Lage und Ausrichtung des Sensors 36 auf der Ultraschallsonde 32 innerhalb der Sichtlinie der Kameraanordnung 26 zu identifizieren. In einer Ausgestaltung konvertiert der Localizer rohe Positionsdaten von einer Vielzahl von Leuchtdioden, aus denen sich der Sensor 36 zusammensetzt, in die Ausrichtung der einzelnen Leuchtdioden und übermittelt diese Daten dann an das Computersystem 24. In einer anderen Ausgestaltung konvertiert der Localizer rohe Positionsdaten der Leuchtdioden in die Position und Ausrichtung der Ultraschallsonde 32 und übermittelt diese Daten dann an das Computersystem 24. In einer weiteren Ausgestaltung kann ein vom Computersystem 24 ausgeführtes Softwareprogramm die Rohdaten in die Ausrichtung der Ultraschallsonde 32 konvertieren. Die Umwandlung der rohen Positionsdaten ist bei Fachleuten auf diesem Gebiet gut bekannt. Das Computersystem 24 kann wahlweise per Fernbedienung mit Bedientasten (nicht sichtbar) auf der Ultraschallsonde 32 oder an einer anderen für den Benutzer 34 leicht zugänglichen Stelle gesteuert werden. Das Computersystem 24 enthält auch ein oder mehrere Eingabegeräte wie eine Tastatur 52, eine Maus 54, oder jedes andere Eingabegerät für den Betrieb des Computersystems 24.The camera assembly 26 is connected via a cable 50 to a localizer (not shown) or, in some cases, directly to the computer system 24. The localizer cooperates with the camera assembly 26 to identify the location and orientation of the sensor 36 on the ultrasound probe 32 within the line of sight of the camera assembly 26. In one embodiment, the localizer converts raw position data from a plurality of LEDs that make up the sensor 36 into the orientation of the individual LEDs and then communicates that data to the computer system 24. In another embodiment, the localizer converts raw position data from the LEDs into the position and orientation of the ultrasound probe 32 and then communicates that data to the computer system 24. In another embodiment, a software program executed by the computer system 24 can convert the raw data into the orientation of the ultrasound probe 32. The conversion of the raw position data is well known to those skilled in the art. The computer system 24 can optionally be controlled by remote control using control buttons (not visible) on the ultrasound probe 32 or at another location easily accessible to the user 34. The computer system 24 also includes one or more input devices such as a keyboard 52, a mouse 54, or any other input device for operating the computer system 24.

Als nächstes werden unter Bezugnahme auf die 2 und 2a die Methoden zur Registrierung eines ersten Volumendatensatzes einer anatomischen Struktur mit einem zweiten Volumendatensatz der anatomischen Struktur offenbart. Die Methoden werden vorzugsweise unter Verwendung eines computergestützten chirurgisches Navigationssystems, wie hier beschrieben, eingesetzt, wobei das Navigationssystem die Position von einem oder mehreren Geräten verfolgen kann, um Volumendatensätze zu erfassen, Positionsdaten zu speichern und Daten daraus zu extrahieren und die Positionsdaten mit den Volumendatensätzen zu korrelieren.Next, with reference to the 2 and 2a discloses methods for registering a first volume data set of an anatomical structure with a second volume data set of the anatomical structure. The methods are preferably implemented using a computer-assisted surgical navigation system as described herein, wherein the navigation system can track the position of one or more devices to acquire volume data sets, store position data and extract data therefrom, and correlate the position data with the volume data sets.

2 gibt einen breiten Überblick über ein Verfahren zur Registrierung, bei dem die Steuerung bei einem Block 80 beginnt, der einen ersten Datensatz für eine Struktur erfasst, wie etwa eine anatomische Struktur eines Patienten. Nach Block 80 geht die Steuerung auf Block 82 über, der zusätzliche, auf den ersten Datensatz bezogene Positionsdaten entwickelt und auf Block 84, der ein erstes Bezugssystem für den ersten Datensatz ermittelt oder erstellt. Das erste Bezugssystem ist vorzugsweise ein beliebiges Bezugssystem, Block 86 erfasst einen zweiten Datensatz, Block 88 erstellt ein zweites Bezugssystem für den zweiten Volumendatensatz. Danach geht die Kontrolle auf Block 90 über, der das erste Bezugssystem in das zweite Bezugssystem transformiert, und auf Block 92, der die zusätzlichen räumlichen Daten aus dem ersten Bezugssystem, wie etwa funktionelle Daten zur anatomischen Struktur, zum zweiten Bezugssystem in Relation setzt. 2 provides a broad overview of a method of registration in which control begins at a block 80 which acquires a first data set for a structure, such as an anatomical structure of a patient. After block 80, control passes to block 82 which develops additional positional data related to the first data set, and to block 84 which determines or creates a first reference frame for the first data set. The first reference frame is preferably any reference frame, block 86 acquires a second data set, block 88 creates a second reference frame for the second volume data set. Control then passes to block 90 which transforms the first reference frame to the second reference frame, and to block 92 which relates the additional spatial data from the first reference frame, such as functional data about the anatomical structure, to the second reference frame.

2A beschreibt eine detailliertere Ansicht eines Verfahrens, in dem das Verfahren aus 2 enthalten ist, wobei die Steuerung bei Block 100 beginnt, der einen ersten Datensatz für eine Struktur erfasst, wie etwa eine anatomische Struktur eines Patienten. Der erste Datensatz kann einen ersten Volumendatensatz für die anatomische Struktur enthalten. So, wie er hier verwendet wird, kann der Begriff „anatomische Struktur“ eine ganze anatomische strukturelle Einheit umfassen, wie etwa einen kompletten Knochen, oder der Begriff „anatomische Struktur“ kann einen kleineren Teil der gesamten anatomischen strukturellen Einheit, weniger als das Ganze, umfassen, wie etwa nur einen kleinen Teil des Knochens. Vorzugsweise umfasst der Volumendatensatz Daten zur Position und Ausrichtung der anatomischen Struktur, etwa eines Knochens oder eines Gelenks. Der erste Volumendatensatz wird mit einem subkutanen bildverarbeitenden Gerät erfasst, wie etwa der verfolgten Ultraschallsonde 32 in 1, wobei der Volumendatensatz ein Bild von einem Knochen oder einer anderen subkutanen Struktur eines Patienten enthält. Es können auch andere Geräte und Modalitäten zur Bilderfassung zur Erfassung des ersten Bilddatensatz verwendet werden, wie z.B. CT, MRT, Röntgen, usw. Der erste Volumendatensatz kann zum Beispiel präoperativ erfasst werden. Der erste Volumendatensatz umfasst vorzugsweise Bilddaten über die anatomische Struktur und kann zweidimensionale (2D) Bilddaten und/oder dreidimensionale (3D) Bilddaten enthalten. Ein Beispiel für ein Erfassungsgerät und eine Modalität zur Erfassung des ersten Bilddatensatzes enthält ein 2D-oder 3D Ultraschall-Bildgerät; wenn eine 2D-Ultraschallsonde verwendet wird, kann diese Sonde zur Erfassung von Volumendaten verwendet werden, indem viele Schichten einer Region, zu der die anatomischen Struktur gehört, erfasst werden. Während der Erfassung des Volumendatensatzes wird die Position des Erfassungsgeräts vom chirurgischen Navigationssystem verfolgt. Vorzugsweise ist die anatomische Struktur in einer stabilen Position, während der Volumendatensatz erfasst wird, so dass es nicht erforderlich ist, während der Erfassung separat die Position der anatomischen Struktur zu verfolgen. Die anatomische Struktur kann wahlweise während der Erfassung verfolgt werden, in welchem Fall die anatomische Struktur sich während der Erfassung bewegen darf, und/oder die Positionsdaten für den erfassen Volumendatensatz, der die anatomische Struktur umfasst, können zusätzlich untermauert werden. 2A describes a more detailed view of a procedure in which the procedure consists of 2 is included, with control beginning at block 100, which acquires a first data set for a structure, such as an anatomical structure of a patient. The first data set may include a first volume data set for the anatomical structure. As used herein, the term "anatomical structure" may include an entire anatomical structural unit, such as an entire bone, or the term "anatomical structure" may include a smaller portion of the entire anatomical structural unit, less than the whole, such as only a small portion of the bone. Preferably, the volume data set includes data on the position and orientation of the anatomical structure, such as a bone or a joint. The first volume data set is acquired with a subcutaneous imaging device, such as the tracked ultrasound probe 32 in 1 , where the volume dataset contains an image of a bone or other subcutaneous structure of a patient. Other image acquisition devices and modalities may also be used to acquire the first image dataset, such as CT, MRI, X-ray, etc. The first volume dataset may, for example, be acquired preoperatively. The first volume dataset preferably includes image data about the anatomical structure and may include two-dimensional (2D) image data and/or three-dimensional (3D) image data. An example of an acquisition device and modality for acquiring the first image dataset includes a 2D or 3D ultrasound imaging device; when a 2D ultrasound probe is used, that probe may be used to acquire volumetric data by acquiring multiple slices of a region to which the anatomical structure belongs. During acquisition of the volumetric dataset, the position of the acquisition device is tracked by the surgical navigation system. Preferably, the anatomical structure is in a stable position while the volumetric dataset is acquired, such that it is not necessary to separately track the position of the anatomical structure during acquisition. The anatomical structure may optionally be tracked during acquisition, in which case the anatomical structure may be allowed to move during acquisition, and/or the position data for the acquired volumetric dataset comprising the anatomical structure may be additionally corroborated.

Nach Block 100 geht die Steuerung an Block 102 über, der ein erstes Bezugssystem für den ersten Datensatz zuweist oder bestimmt. Das erste Bezugssystem ist vorzugsweise ein willkürliches Bezugssystem ohne Bezugnahme auf einen vordefinierten Orientierungspunkt, wie beispielsweise eine Passermarke oder einen besonderen anatomisch auffälligen Punkt in der anatomischen Struktur. Zum Beispiel kann das erste Bezugssystem das einer Kameraanordnung, einer Ultraschallsonde oder des ersten Volumendatensatzes selbst sein, wie etwa ein Zentrum des ersten Volumendatensatzes. Es können auch weitere Möglichkeiten, das willkürliche Bezugssystem so zu erstellen, dass es sich von anderen Arten von Bezugssystemen unterscheidet, verwendet werden. Das Bezugssystem kann mit jedem bekannten oder häufig verwendeten Bildverarbeitungsalgorithmus erstellt werden. Einmal erstellt, hat das willkürliche Bezugssystem vorzugsweise eine einzigartige räumliche Beziehung zum Volumen der betreffenden anatomischen Struktur, etwa einem Knochen, und das willkürliche Bezugssystem bleibt in der gleichen Position relativ zu diesem fixiert.After block 100, control passes to block 102, which assigns or determines a first reference frame for the first data set. The first reference frame is preferably an arbitrary reference frame without reference to a predefined landmark, such as a fiducial or a particular anatomically prominent point in the anatomical structure. For example, the first reference frame may be that of a camera array, an ultrasound probe, or the first volume data set itself, such as a center of the first volume data set. Other ways of creating the arbitrary reference frame so that it is different from other types of reference frames may also be used. The reference frame may be created using any known or commonly used image processing algorithm. Once created, the arbitrary reference frame preferably has a unique spatial relationship to the volume of the anatomical structure in question, such as a bone, and the arbitrary reference frame remains fixed in the same position relative thereto.

Die Steuerung geht auf Block 104 über, der eine inhärente Eigenschaft des ersten Volumendatensatzes identifiziert, wie etwa einen räumlich einzigartigen physikalischen räumlichen Aspekt des Volumendatensatzes. Vorzugsweise hat die inhärente Eigenschaft eine einzigartige Position und Ausrichtung in Bezug auf die anatomische Struktur, die von jeder Referenzposition aus identifiziert werden kann. In einem bevorzugten Verfahren wird das Computersystem 24 mit entsprechenden Befehlsroutinen angepasst, um ein Bildträgheitsmoment des Volumendatensatzes zu berechnen, das in Bezug auf das Volumen konstant ist, unabhängig davon, aus welchem Blickwinkel das Volumen erfasst oder gesehen wird. Die Verwendung des Trägheitsmoments kann vorteilhaft sein, weil jedes gegebene Volumen ein konstantes Trägheitsmoment hat, das in einer einzigartigen fixen räumlichen Relation zu einem Datensatz steht, der ein bestimmtes Volumen repräsentiert und unabhängig vom Blickwinkel ist, aus dem das Volumen betrachtet wird. Daher wird zum Beispiel das Trägheitsmoment eines Volumendatensatzes eines bestimmten Teils eines Knochens in der gleichen relativen Position zu diesem Teil des Knochens bleiben, unabhängig davon, aus welcher Position oder welchem Blickwinkel der Volumendatensatz erfasst wird. Es können auch andere Methoden zur Bestimmung eines räumlich einzigartigen physikalischen räumlichen Aspekt des Volumendatensatzes verwendet werden und alternative oder zusätzliche eindeutig definierte räumliche Daten zur anatomischen Struktur erfassen, wie Oberflächenkonturdaten, Orientierungspunkte, usw., die verwendet werden könnten, um das willkürliche Bezugssystem zu definieren.Control transfers to block 104, which identifies an inherent property of the first volume data set, such as a spatially unique physical spatial aspect of the volume data set. Preferably, the inherent property has a unique position and orientation with respect to the anatomical structure that can be identified from any reference position. In a preferred method, the computer system 24 is adapted with appropriate command routines to calculate an image moment of inertia of the volume data set that is constant with respect to the volume regardless of the angle from which the volume is captured or viewed. The use of the moment of inertia may be advantageous because any given volume has a constant moment of inertia that is in a unique fixed spatial relationship to a data set representing a particular volume and is independent of the angle from which the volume is viewed. Therefore, for example, the moment of inertia of a volume dataset of a particular part of a bone will remain in the same relative position to that part of the bone, regardless of the position or angle from which the volume dataset is acquired. Other methods may also be used to determine a spatially unique physical spatial aspect of the volume dataset and capture alternative or additional uniquely defined spatial data about the anatomical structure, such as surface contour data, landmarks, etc., which could be used to define the arbitrary reference frame.

Anschließend geht die Steuerung an Block 106 über, der das erste beliebige Bezugssystem mit dem räumlich einzigartigen physikalischen Aspekt des Volumendatensatzes korreliert. In einem Beispiel korreliert Block 88 das erste beliebige Bezugssystem und das Bildträgheitsmoment mit Hilfe einer zwischen ihnen bestehenden bekannten einzigartigen räumlichen Beziehung, wie den kartesischen xyz-Koordinaten des Bildträgheitsmomentes innerhalb des ersten willkürlichen Bezugssystems. In einem als Beispiel dienenden Verfahren wird das erste beliebige Bezugssystem so zugewiesen, dass das Trägheitsmoment eine Achse des willkürlichen Bezugssystems definiert. Es können auch andere alternative und/oder gleichwertige Methoden oder Systeme zur Korrelation des willkürlichen Bezugssystems mit dem räumlich einzigartigen physikalischen Aspekt verwendet werden.Control then passes to block 106, which correlates the first arbitrary reference frame with the spatially unique physical aspect of the volume dataset. In one example, block 88 correlates the first arbitrary reference frame and the image moment of inertia using a known unique spatial relationship between them, such as the xyz Cartesian coordinates of the image moment of inertia within the first arbitrary reference frame. In an example method, the first arbitrary reference frame is assigned such that the moment of inertia defines an axis of the arbitrary reference frame. Other alternative and/or equivalent methods or systems for correlating the arbitrary reference frame with the spatially unique physical aspect may be used.

Die Steuerung geht auf Block 108 über, der zusätzliche Positionsdaten entwickelt und/oder mit dem ersten Volumendatensatz assoziiert, wobei die zusätzlichen räumlichen Daten eine einzigartige räumliche Ausrichtung relativ zu dem ersten willkürlichen Bezugssystem haben. Die zusätzlichen Positionsdaten können funktionelle Daten der anatomischen Struktur umfassen, wie etwa einen Gravitationsvektor, der sich auf die anatomische Struktur und/oder die Ausrichtungen von Teilen der anatomischen Struktur im Verhältnis zu jedem anderen Teil auswirkt. In einer Ausgestaltung ist der erste Datensatz ein präoperativer Volumendatensatz und die funktionellen Daten werden für die anatomische Struktur erfasst, während sich ein Patient in einer allgemein stehenden oder aufrechten Position befindet. In anderen Ausgestaltungen können die funktionellen Daten auch mit anderen den Fachleuten bekannten Methoden erfasst werden.Control transfers to block 108 which develops and/or associates additional positional data with the first volume data set, the additional spatial data having a unique spatial orientation relative to the first arbitrary reference frame. The additional positional data may include functional data of the anatomical structure, such as a gravity vector affecting the anatomical structure and/or the orientations of parts of the anatomical structure relative to every other part. In one embodiment, the first data set is a pre-operative volume data set and the functional data is acquired for the anatomical structure while a patient is in an all generally standing or upright position. In other embodiments, the functional data can also be collected using other methods known to those skilled in the art.

Die zusätzlichen räumlichen Daten können mit dem ersten Volumendatensatz in Zusammenhang stehen. Zum Beispiel können die zusätzlichen räumlichen Daten Gravitationsvektordaten beinhalten, die einen Gravitationsvektor auf den ersten Volumendatensatz zum Zeitpunkt, als der Volumendatensatz erfasst wurde, definieren. Der Gravitationsvektor kann mit jedem bekannten Verfahren ermittelt werden. Ein solches Verfahren schließt ein Gravitationsmessgerät, wie etwa einen Beschleunigungssensor, der auf die Kamera des chirurgischen Navigationssystem montiert ist, ein, wobei das Gravitationsmessgerät den lokalen Gravitationsvektor identifiziert, während der erste Volumendatensatz erfasst wird. Die Gravitationsvektordaten werden dann so mit dem Volumendatensatz assoziiert, dass der Gravitationsvektor eindeutig in Hinsicht auf das erste willkürliche Bezugssystem lokalisiert werden kann.The additional spatial data may be associated with the first volume data set. For example, the additional spatial data may include gravity vector data defining a gravity vector on the first volume data set at the time the volume data set was acquired. The gravity vector may be determined using any known method. One such method includes a gravity measuring device, such as an accelerometer, mounted on the camera of the surgical navigation system, wherein the gravity measuring device identifies the local gravity vector as the first volume data set is acquired. The gravity vector data is then associated with the volume data set such that the gravity vector can be uniquely located with respect to the first arbitrary reference frame.

In einem weiteren Beispiel steht der zusätzliche räumliche Datensatz nicht in Zusammenhang zum ersten Volumendatensatz. Zum Beispiel können die zusätzlichen räumlichen Daten einen Vektor beinhalten, der die Lage und Ausrichtung eines anderen Bezugssystems festlegt. Das andere Bezugssystem kann ein anderes willkürliches Bezugssystem für einen nicht damit zusammenhängenden Volumendatensatz sein, der sich nicht mit dem ersten Volumendatensatz überschneidet, wobei der nicht mit ihm zusammenhängende Volumendatensatz sich auf eine andere anatomische Struktur oder einem anderen Teil der gleichen anatomischen Struktur bezieht. In einem Fall kann der erste Volumendatensatz der erste Teil eines Knochens und der nicht mit ihm zusammenhängende Volumendatensatz ein zweiter Teil des gleichen Knochens sein. Das andere Bezugssystem kann auch ein globales Bezugssystem enthalten, das zu mehreren Volumendatensätzen gehört, wie z. B. ein Kamerabezugssystem von einer Kamera des chirurgischen Navigationssystems. Auf diese Weise können die spezifischen Lagen und/oder Ausrichtungen der Bezugssysteme jedes einzelnen von einem oder mehreren nicht zusammenhängenden Volumendatensätzen so mit dem ersten Volumendatensatz verknüpft werden, dass die Lage und Ausrichtung eines oder mehrerer der Volumendatensätze verwendet werden können, um die Lage und Ausrichtung von einem oder mehreren anderen nicht damit zusammenhängenden Volumendatensätzen zu ermitteln, obwohl die Volumendatensätze sich nicht spezifisch überschneiden und zu dem Zeitpunkt nicht sichtbar sind.In another example, the additional spatial data set is unrelated to the first volume data set. For example, the additional spatial data may include a vector specifying the location and orientation of another reference frame. The other reference frame may be another arbitrary reference frame for an unrelated volume data set that does not overlap with the first volume data set, where the unrelated volume data set relates to a different anatomical structure or a different part of the same anatomical structure. In one case, the first volume data set may be the first part of a bone and the unrelated volume data set may be a second part of the same bone. The other reference frame may also include a global reference frame associated with multiple volume data sets, such as a camera reference frame from a camera of the surgical navigation system. In this manner, the specific locations and/or orientations of the reference systems of each of one or more non-contiguous volume data sets may be associated with the first volume data set such that the location and orientation of one or more of the volume data sets may be used to determine the location and orientation of one or more other non-contiguous volume data sets, even though the volume data sets do not specifically overlap and are not visible at that time.

Andere Arten von zusätzlichen räumlichen Daten, die einzigartige räumliche Eigenschaften in Bezug auf die durch den Volumendatensatz dargestellte anatomische Struktur haben können, können ebenfalls mit dem Volumendatensatz identifiziert werden. Als nicht ausschließliche Beispiele könnten andere Arten von zusätzlichen räumlichen Daten Lage- und Ausrichtungsvektor(en) des willkürlichen Bezugssystems des Volumendatensatzes in Bezug auf andere lokale anatomische Bezugssysteme des Patienten beinhalten, z. B. eine Beckenebene, eine mechanische Achse des Femurs, eine anatomischen Achse des Femurs und andere relevante lokale Bezugspunkte und/oder Bezugssysteme, wie sie allgemein verwendet werden. Allerdings wird hier davon ausgegangen, dass jede Art von raumbezogenen Daten, die ein eindeutig identifizierbares räumliches Merkmal in Bezug auf die durch den Volumendatensatz repräsentierte anatomische Struktur haben, mit dem Volumendatensatz so verbunden werden können, wie es als notwendig oder zweckmäßig für vielfältige und unterschiedliche Anwendungen erachtet wird.Other types of additional spatial data that may have unique spatial characteristics related to the anatomical structure represented by the volume dataset may also be identified with the volume dataset. As non-exclusive examples, other types of additional spatial data could include location and orientation vector(s) of the arbitrary reference frame of the volume dataset with respect to other local anatomical reference frames of the patient, e.g., a pelvic plane, a mechanical axis of the femur, an anatomical axis of the femur, and other relevant local reference points and/or reference frames as commonly used. However, it is contemplated herein that any type of spatial data that has a uniquely identifiable spatial feature related to the anatomical structure represented by the volume dataset may be associated with the volume dataset as deemed necessary or appropriate for a variety of different applications.

Die Steuerung geht auf Block 110 über, der einen zweiten Datensatz erfasst. In einem Beispiel kann der zweite Volumendatensatz zur gleichen anatomischen Struktur wie der erste Volumendatensatz gehören oder zumindest erhebliche Überschneidungen damit aufweisen. Es gibt genügend Überschneidungen zwischen dem ersten Datensatz und dem zweiten Datensatz, so dass der erste und der zweite Datensatz in einem nachfolgenden Schritt registriert werden können, wie im Folgenden beschrieben. In einer bevorzugten Ausgestaltung gibt es zumindest eine siebzigprozentige Übereinstimmung der im ersten Volumendatensatz erfassten anatomischen Struktur mit der im zweiten Volumendatensatz erfassten anatomischen Struktur. In einigen Fällen kann sogar eine mehr als siebzigprozentige Übereinstimmung wünschenswert sein, und in anderen Fällen kann eine weniger als siebzigprozentige Übereinstimmung ausreichen. Der zweite Volumendatensatz kann aus dem gleichen Blickwinkel erfasst werden, wie der erste Volumendatensatz, oder er kann aus einem anderen Blickwinkel erfasst werden.Control transfers to block 110, which acquires a second data set. In one example, the second volume data set may be of the same anatomical structure as the first volume data set, or at least have significant overlap therewith. There is sufficient overlap between the first data set and the second data set that the first and second data sets may be registered in a subsequent step, as described below. In a preferred embodiment, there is at least a seventy percent match of the anatomical structure acquired in the first volume data set with the anatomical structure acquired in the second volume data set. In some cases, even more than a seventy percent match may be desirable, and in other cases, less than a seventy percent match may be sufficient. The second volume data set may be acquired from the same angle as the first volume data set, or it may be acquired from a different angle.

In einem anderen Beispiel kann der zweite Volumendatensatz von einer anderen anatomischen Struktur stammen, die eine bekannte oder bestimmbare räumlichen Beziehung zur ersten anatomischen Struktur hat. In einem Aspekt kann der erste Volumendatensatz von einem Knochen oder einem Teil davon auf einer Seite des Körpers eines Patienten stammen und der zweite Volumendatensatz kann von einem Knochen oder einem Teil davon auf der gegenüberliegenden Seite des Körpers des Patienten stammen, der im Wesentlichen als Spiegelbild dem ersten Knochen entspricht. Als nicht ausschließliches Beispiel kann der erste Volumendatensatz Bilddaten von einem linken Hüftkopf und der zweite Volumendatensatz Bilddaten des rechten Hüftkopfs enthalten. Es wird angenommen, dass der linke Hüftkopf mathematisch äquivalent zu einem Spiegelbild des rechten Hüftkopfes gespiegelt an einer Mittelachse des Körpers ist. Auf diese Weise haben der linke Hüftkopf und der rechte Hüftkopf eine bekannte oder bestimmbare räumliche Beziehung zueinander über die Mittelachse des Körpers. Es kann zum Beispiel ein bekanntes anatomisches Standardcharakteristikum des Hüftkopfes, wie der Trochanter minor, als Orientierungspunkt festgelegt werden, wobei von der Annahme ausgegangen wird, dass er sich auf dem linken und rechten Oberschenkelknochen (Femur) an der gleichen Stelle befindet, nur gespiegelt an einer Mittelachse des Körpers. Es können auch weitere erkennbare Beziehungen zwischen verschiedenen anatomischen Strukturen identifiziert und in ähnlicher Weise wie hier beschrieben genutzt werden,In another example, the second volume dataset may be from a different anatomical structure that has a known or determinable spatial relationship to the first anatomical structure. In one aspect, the first volume dataset may be from a bone or portion thereof on one side of a patient's body and the second volume dataset may be from a bone or portion thereof on the opposite side of the patient's body that is substantially a mirror image of the first bone. As a non-exclusive example, the first volume dataset may be set of image data from a left femoral head and the second volume data set contains image data of the right femoral head. The left femoral head is assumed to be mathematically equivalent to a mirror image of the right femoral head mirrored about a central axis of the body. In this way, the left femoral head and the right femoral head have a known or determinable spatial relationship to each other about the central axis of the body. For example, a known standard anatomical feature of the femoral head, such as the lesser trochanter, can be set as a landmark, assuming that it is located at the same location on the left and right femur, just mirrored about a central axis of the body. Other recognizable relationships between different anatomical structures can also be identified and used in a similar manner as described here.

Bei einigen Anwendungen wird der zweite Volumendatensatz während eines anderen Teils eines Eingriffs erfasst als der erste Volumendatensatz, beispielsweise intraoperativ. In einem Beispiel ist der zweite Datensatz ein intraoperativer Volumendatensatz des gleichen Knochens oder eines Teils davon, der erfasst wird, während der Patient narkotisiert ist und auf einem Operationstisch liegt. Bei anderen Anwendungen könnte der erste und zweite Volumendatensatz im selben Abschnitt eines chirurgischen Eingriffs erfasst werden, beispielsweise beide intraoperativ oder beide präoperativ. Darüber hinaus können ein oder mehrere Volumendatensätze postoperativ erfasst werden, wie zum Beispiel zur Unterstützung bei der postoperativen Diagnostik.In some applications, the second volume dataset is acquired during a different part of a procedure than the first volume dataset, for example intraoperatively. In one example, the second dataset is an intraoperative volume dataset of the same bone or a portion thereof acquired while the patient is anesthetized and lying on an operating table. In other applications, the first and second volume datasets could be acquired during the same portion of a surgical procedure, for example, both intraoperatively or both preoperatively. In addition, one or more volume datasets may be acquired postoperatively, such as to assist in postoperative diagnostics.

Der zweite Datensatz kann mit der gleichen Modalität oder einer anderen Modalität als der erste Datensatz erfasst werden. In einem Beispiel werden sowohl der erste als auch der zweite Datensatz unter Verwendung eines 3D-Ultraschallbildgebungssystems erfasst, an dem ein Tracking-Gerät befestigt ist, mit dem es vom chirurgischen Navigationssystem verfolgt wird. Im vorliegenden Beispiel wird auch der zweite Datensatz mit der Ultraschallsonde 32, die vom chirurgischen Navigationssystem 20 verfolgt wird, erfasst.The second data set may be acquired using the same modality or a different modality than the first data set. In one example, both the first and second data sets are acquired using a 3D ultrasound imaging system that has a tracking device attached to it that is tracked by the surgical navigation system. In the present example, the second data set is also acquired using the ultrasound probe 32 that is tracked by the surgical navigation system 20.

Anschließend geht die Steuerung auf Block 112 über, der dem zweiten Datensatz ein zweites Bezugssystem zuweist. Wie bereits beim ersten Bezugssystem, kann das zweite Bezugssystem ein willkürlichen Bezugssystem sein und in ähnlicher Weise zugewiesen oder bestimmt werden wie dort beschrieben. Das zweite willkürliche Bezugssystem wird vorzugsweise eindeutig durch den zweiten Volumendatensatz definiert. In einem Beispiel wird das zweite willkürliche Bezugssystem durch die anatomische Struktur in der gleichen Weise definiert wie hier zuvor in Hinsicht auf die erste anatomische Struktur beschrieben. Das zweite Bezugssystem kann gleich oder verschieden vom ersten Bezugssystem sein.Control then passes to block 112, which assigns a second reference frame to the second data set. As with the first reference frame, the second reference frame may be an arbitrary reference frame and may be assigned or determined in a manner similar to that described therein. The second arbitrary reference frame is preferably uniquely defined by the second volume data set. In one example, the second arbitrary reference frame is defined by the anatomical structure in the same manner as described hereinbefore with respect to the first anatomical structure. The second reference frame may be the same or different from the first reference frame.

Die Steuerung geht auch auf Block 114 über, der eine inhärente Eigenschaft des zweiten Volumendatensatzes identifiziert, wie etwa einen räumlich einzigartigen physikalischen räumlichen Aspekt des Volumendatensatzes, Wenn der erste und zweite Datensatz im Wesentlichen vom gleichen anatomischen Merkmal stammen, sollte die inhärente Eigenschaft beider Datensätze vorzugsweise gleich sein, weil die gleiche anatomische Eigenschaft den gleichen einzigartigen räumlichen Aspekt für den ersten und zweiten Datensatz hätte, wie etwa das Bildträgheitsmoment. Zum Beispiel ist in einem System, das ein Bildträgheitsmoment eines Ultraschallbildes berechnet das Trägheitsmoment der Struktur konstant und im Wesentlichen einzigartig in Bezug auf eine gegebene Struktur unabhängig vom Blickwinkel, aus dem die Struktur betrachtet wird. Daher ist das Trägheitsmoment des gleichen anatomischen Merkmals in verschiedenen Volumendatensätzen des anatomischen Merkmals, die aus verschiedenen Blickwinkeln erfasst wurden, eindeutig identifizierbar. In einem solchen Beispiel kann das zweite willkürliche Bezugssystem auch mit dem Bildträgheitsmoment eindeutig räumlich verbunden sein.Control also transfers to block 114, which identifies an inherent property of the second volume dataset, such as a spatially unique physical spatial aspect of the volume dataset. If the first and second datasets are from substantially the same anatomical feature, the inherent property of both datasets should preferably be the same because the same anatomical property would have the same unique spatial aspect for the first and second datasets, such as image moment of inertia. For example, in a system that calculates an image moment of inertia of an ultrasound image, the moment of inertia of the structure is constant and substantially unique with respect to a given structure regardless of the angle from which the structure is viewed. Therefore, the moment of inertia of the same anatomical feature is uniquely identifiable in different volume datasets of the anatomical feature acquired from different angles. In such an example, the second arbitrary reference frame may also be uniquely spatially related to the image moment of inertia.

Block 116 korreliert das zweite Bezugssystem mit dem inhärenten Merkmal des zweiten Volumendatensatzes in der gleichen Weise wie in Block 106 oder mit jedem dazu ausreichenden Verfahren.Block 116 correlates the second reference system with the inherent feature of the second volume data set in the same manner as in block 106 or with any method sufficient thereto.

Die Steuerung geht dann auf Block 118 über, der das erste Bezugssystem in das zweite Bezugssystem registriert. In einer Ausgestaltung führt Block 118 eine Zuordnung der Datensätze durch, zum Beispiel durch Suche nach dem einzigartigen Trägheitsmoment jedes Bildes und die Korrelation der ersten und zweiten willkürlichen Bezugssysteme miteinander indem das Trägheitsmoment des ersten Volumendatensatz dem Trägheitsmoment des zweiten Volumendatensatz zugeordnet und daraus eine geeignete Transformationsmatrix berechnet wird. Eine weitere Möglichkeit, Datensätze zuzuordnen, kann die Durchführung von unterschiedlichen Zuordnungen für den ersten und zweiten Datensatz beinhalten, wobei der erste und der zweite Datensatz mit irgendeiner geeigneten oder allgemein bekannten Methode virtuell überlagert und miteinander korreliert werden. Die Registrierung kann auch mit anderen Methoden, wie der Volumen-Volumen-Zuordnung, der Oberfläche-Oberfläche-Zuordnung und/oder der Punkt-zu-Punkt-Zuordnung durchgeführt werden. Bei jeder Registrierungstechnik wird eine mathematische Transformation, einschließlich Rotation, Translation und Skalierung berechnet, vorzugsweise vom Computersystem 24, das ein gemeinsames oder als gemeinsam angenommenes räumliches Merkmal in den beiden Volumendatensätzen registriert. Das Computersystem 24 wandelt dann eine oder beide der willkürlichen Bezugssysteme so um, dass das räumliche Merkmal und damit die Volumendatensätze miteinander in Registrierung gebracht werden. Es können auch andere ebenso wirksame Verfahren zur Berechnung und Durchführung einer geeigneten Transformation und Registrierung verwendet werden, die den Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt sind.Control then passes to block 118, which registers the first reference frame to the second reference frame. In one embodiment, block 118 performs a mapping of the data sets, for example by searching for the unique moment of inertia of each image and correlating the first and second arbitrary reference frames with each other by mapping the moment of inertia of the first volume data set to the moment of inertia of the second volume data set and calculating an appropriate transformation matrix therefrom. Another way to map data sets may involve performing different mappings for the first and second data sets, wherein the first and second data sets are virtually superimposed and correlated with each other using any suitable or well-known method. Registration may also be performed using other methods, such as volume-volume mapping, surface-surface mapping, and/or point-to-point mapping. In each registration technique, a mathematical transformation, including rotation, translation, and scaling, is calculated, preferably by the computer system 24, which has a common or assumed common spatial feature is registered in the two volume data sets. The computer system 24 then transforms one or both of the arbitrary reference frames so that the spatial feature and hence the volume data sets are registered with each other. Other equally effective methods of computing and performing an appropriate transformation and registration known to those skilled in the art may also be used.

Die Steuerung geht dann auf Block 120 über, der die zusätzlichen räumlichen Daten aus dem ersten Bezugssystem, wie etwa funktionelle Daten der anatomischen Struktur, zum zweiten Bezugssystem in Relation setzt. Die zusätzlichen räumlichen Daten aus dem ersten Volumendatensatz werden zu dem zweiten willkürlichen Bezugssystem des zweiten Volumendatensatzes in Relation gesetzt, nach (oder gleichzeitig mit) der Registrierung des ersten und zweiten Datensatzes. Auf diese Weise werden die zusätzlichen räumlichen Daten mit dem zweiten willkürlichen Bezugssystem korrekt registriert, obwohl die zusätzlichen räumlichen Daten nicht unmittelbar zur Verfügung stehen, wenn der zweite Volumendatensatz erfasst wird. Wenn zum Beispiel die zusätzlichen räumlichen Daten wie oben beschrieben den Gravitationsvektor enthalten, wird der Gravitationsvektor mit dem zweiten Volumendatensatz assoziiert und in der richtigen Ausrichtung auf die anatomische Struktur registriert, auch wenn die anatomische Struktur anders ausgerichtet ist. Wenn die zusätzlichen räumlichen Daten wie oben beschrieben einen Vektor enthalten, der die Lage und Ausrichtung eines anderen Bezugssystem identifiziert, dann kann die Lage und Ausrichtung des nicht damit zusammenhängende Volumendatensatzes, der nicht Teil des zweiten Volumendatensatz ist, auf der Grundlage der Assoziierung und Registrierung der Vektordaten, die die zusätzlichen räumlichen Daten bilden, identifiziert werdenControl then passes to block 120, which relates the additional spatial data from the first reference frame, such as functional data of the anatomical structure, to the second reference frame. The additional spatial data from the first volume data set is related to the second arbitrary reference frame of the second volume data set after (or simultaneously with) registration of the first and second data sets. In this way, the additional spatial data is correctly registered with the second arbitrary reference frame even though the additional spatial data is not immediately available when the second volume data set is acquired. For example, if the additional spatial data includes the gravity vector as described above, the gravity vector is associated with the second volume data set and registered in the correct orientation to the anatomical structure even if the anatomical structure is oriented differently. If the additional spatial data as described above includes a vector identifying the location and orientation of another reference system, then the location and orientation of the unrelated volume data set that is not part of the second volume data set can be identified based on the association and registration of the vector data that form the additional spatial data

Wahlweise kann die Steuerung dann an Block 122 weitergegeben werden, der die Registrierung mit dem zweiten Volumendatensatz auf einem Anzeigegerät anzeigt. Je nach Wunsch können auch weitere Veränderungen und Verwendungen der zusätzlichen räumlichen Daten durchgeführt werden.Optionally, control may then be passed to block 122, which displays the registration with the second volume data set on a display device. Other modifications and uses of the additional spatial data may also be made as desired.

Die oben beschriebenen Blöcke 100-122 können neu arrangiert, neu geordnet oder modifiziert werden, indem man sie kombiniert, so dass sie weniger Schritte enthalten oder in Einzelheiten zerlegt, so dass sie weitere zusätzliche Schritte umfassen, wie es für einem Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich wäre. Wie in 2A gezeigt, korrelieren die Schritte 100-122 in einigen Fällen mit den in 2 gezeigten Schritten 80-92, die als ihre Zwischenschritte betrachtet werden können. Ferner kann die Logik, die in den Flussdiagrammen der 2 und 2A gezeigt wird, von jedem Computersystem umgesetzt werden, das an die Durchführung der Blöcke 80-92 und/oder 100-122 angepasst ist, wie etwa dem chirurgischen Navigationssystem 20 von 1. In einer Ausgestaltung umfasst das Computersystem 24 entsprechend programmierte Software und Hardware, um die Blöcke und Prozesse der 2 und 2A auszuführen.The blocks 100-122 described above may be rearranged, reordered or modified by combining them to include fewer steps or by breaking them down into details to include further additional steps as would be apparent to one skilled in the art. As in 2A As shown, steps 100-122 correlate in some cases with the 2 shown steps 80-92, which can be considered as their intermediate steps. Furthermore, the logic shown in the flow charts of the 2 and 2A shown, may be implemented by any computer system adapted to perform blocks 80-92 and/or 100-122, such as the surgical navigation system 20 of 1 In one embodiment, the computer system 24 comprises appropriately programmed software and hardware to implement the blocks and processes of the 2 and 2A to execute.

Die 3A, 3B und 3C zeigen ein Beispiel, wo die zusätzlichen räumlichen Daten funktionelle Daten für eine anatomische Struktur enthalten, die aus einem präoperativen Volumendatensatz gewonnen und zu einem intraoperativen Volumendatensatz in Relation gesetzt werden, so dass die funktionellen Daten während eines chirurgischen Eingriffs am Patienten verwendet werden können. Bei einem solchen chirurgischen Eingriff, zum Beispiel einer Hüftgelenksplastik, kann ein Gravitationsvektor, der sich auf die verschiedenen Knochen auswirkt, aus denen das Hüftgelenk besteht, ein wichtiger Faktor für die präzise Positionierung von Komponenten eines prothetischen Hüftimplantats aufgrund bestimmter funktioneller Bewegungscharakteristiken des Patienten sein. In anderen Ausgestaltungen können funktionelle Daten für die anatomische Struktur in einer Vielzahl von unterschiedlichen Positionen oder über einen längeren Zeitraum hinweg erfasst werden. Zum Beispiel können funktionelle Daten für ein Kniegelenk in verschiedenen Positionen erfasst werden, um unter anderem Daten bei Extension/Flexion, und Varus/Valgus für den Einsatz während eines chirurgischen Eingriffs zu erfassen.The 3A , 3B and 3C show an example where the additional spatial data includes functional data for an anatomical structure obtained from a preoperative volume data set and related to an intraoperative volume data set so that the functional data can be used during a surgical procedure on the patient. In such a surgical procedure, for example a hip arthroplasty, a gravitational vector affecting the various bones that make up the hip joint can be an important factor in the precise positioning of components of a prosthetic hip implant based on certain functional movement characteristics of the patient. In other embodiments, functional data for the anatomical structure can be acquired in a variety of different positions or over a longer period of time. For example, functional data for a knee joint can be acquired in different positions to capture, among other things, data on extension/flexion, and varus/valgus for use during a surgical procedure.

Bei einer Hüftgelenksplastik wird eine prothetische Komponente unter Anwendung des hier beschriebenen willkürlichen Bezugssystems präzise und effizient platziert, anstatt dass man sich auf lokale biomechanische/anatomische Bezugssysteme verlässt, wie z. B. eine mechanische Achse des Femurs, eine Beckenfrontalebene, oder andere lokale anatomische Standardbezugssysteme. Der Begriff „lokales“ Bezugssystem, so wie er hier verwendet wird, ist ein Bezugssystem aufgrund von bestimmten akzeptierten oder vordefinierten anatomischen Merkmalen eines Patienten, wie etwa spezifischen Orientierungspunkten am Skelett. Im Gegensatz dazu bezieht sich der Begriff „willkürliches Bezugssystem“ auf ein Bezugssystem, das ausschließlich auf der Grundlage des betrachteten Merkmals eindeutig identifiziert wird, wie etwa des spezifischen betrachteten Volumendatensatzes. Somit hängt das willkürliche Bezugssystem nicht von der Lage eines oder mehrerer bestimmter vordefinierter anatomischer Orientierungspunkte in Bezug auf andere Teile der Anatomie ab, sondern korreliert mit und ist identifizierbar aus einzigartigen räumlichen Charakteristiken der relevanten Anatomie selbst.During hip arthroplasty, a prosthetic component is precisely and efficiently placed using the arbitrary reference frame described here, rather than relying on local biomechanical/anatomical reference frames, such as a mechanical axis of the femur, a pelvic frontal plane, or other standard local anatomical reference frames. The term "local" reference frame, as used here, is a reference frame based on certain accepted or predefined anatomical features of a patient, such as specific skeletal landmarks. In contrast, the term "arbitrary reference frame" refers to a reference frame that is uniquely identified based solely on the feature under consideration, such as the specific volume dataset under consideration. Thus, the arbitrary reference frame does not depend on the location of one or more specific predefined anatomical landmarks in relation to other parts of the anatomy, but rather correlates with and is identifiable from unique spatial characteristics of the relevant anatomy itself.

Die Zuordnung funktioneller Daten, wie des Schwerkraftvektors G, zum intraoperativen Verfahren erleichtert die Platzierung der richtigen prothetischen Komponenten in einer optimalen Position und Ausrichtung aufgrund der natürlichen Bewegungsmuster des Patienten, Die Position und Ausrichtung der Prothese kann mit Hilfe einer Vielzahl von Parametern weiter optimiert werden, zu denen zum Beispiel sowohl spezifische anatomische als auch kinematische Einschränkungen, zum Lebensstil des Patienten gehörende spezifische Aktivitäten und bestimmte geometrische und kinematische Einschränkungen aufgrund des prothetischen Designs gehören. Weitere Verbesserungen sind unter Einbeziehung anderer relevanter Faktoren, die intraoperativ entstehen oder sichtbar werden, möglich, wie etwa nach der Herstellung einer gemeinsamen Oberfläche um eine prothetische Komponente aufzunehmen.Associating functional data, such as the gravity vector G, with the intraoperative procedure facilitates the placement of the correct prosthetic components in an optimal position and orientation based on the patient's natural movement patterns. The position and orientation of the prosthesis can be further optimized using a variety of parameters, including, for example, both specific anatomical and kinematic constraints, specific activities inherent to the patient's lifestyle, and certain geometric and kinematic constraints due to the prosthetic design. Further improvements are possible by incorporating other relevant factors that arise or become apparent intraoperatively, such as after the creation of a common surface to accommodate a prosthetic component.

3C zeigt Schritte in einem Verfahren und ein konkretes Beispiel, das zusätzliche räumliche Daten auf einem computergestützten chirurgischen Navigationssystem, wie dem chirurgischen Navigationssystem 20 nutzt, einschließlich der funktionellen Daten in Bezug auf das in den 3A und 3B gezeigte. Block 170 erfasst einen präoperativen Bildvolumendatensatz 150 einer Hüfte 152 oder von Teilen der Hüfte des Patienten 154, während der Patient steht. Vorzugsweise wird der Bildvolumendatensatz 150 mit der Ultraschallsonde 32 erfasst, während sie von der Kameraanordnung 26 verfolgt wird, um Bilddaten der relevanten Knochen im Hüftgelenk zu erfassen, und die Bilddaten werden in einem geeigneten elektronischen Speicher abgelegt, der dem chirurgischen Navigationssystem zur Verfügung steht. 3C shows steps in a method and a concrete example that utilizes additional spatial data on a computer-assisted surgical navigation system, such as the surgical navigation system 20, including the functional data related to the 3A and 3B Block 170 acquires a preoperative image volume data set 150 of a hip 152 or portions of the patient's hip 154 while the patient is standing. Preferably, the image volume data set 150 is acquired with the ultrasound probe 32 while it is tracked by the camera assembly 26 to acquire image data of the relevant bones in the hip joint, and the image data is stored in suitable electronic storage available to the surgical navigation system.

Block 172 definiert eine beliebige Achse, etwa eine Achse der Kameraanordnung, für den Bildvolumendatensatz 150, identifiziert einen eindeutigen räumlichen Parameter des Bildvolumendatensatzes und korreliert die beliebige Achse mit dem räumlichen Parameter. In diesem speziellen Beispiel umfasst der einzigartige räumliche Parameter vorzugsweise das Bildträgheitsmoment des Bildvolumendatensatzes der Hüftknochen, so berechnet, wie hier zuvor beschrieben. Die willkürliche Achse wird wahlweise auch mit einem lokalen anatomischen Parameter der Hüfte 152 korreliert, wie einer Frontalebene 156 der Hüfte 152, wie in 3 gezeigt.Block 172 defines an arbitrary axis, such as an axis of the camera array, for the image volume dataset 150, identifies a unique spatial parameter of the image volume dataset, and correlates the arbitrary axis with the spatial parameter. In this particular example, the unique spatial parameter preferably comprises the image moment of inertia of the image volume dataset of the hip bones, calculated as previously described herein. The arbitrary axis is also optionally correlated with a local anatomical parameter of the hip 152, such as a frontal plane 156 of the hip 152, as in 3 shown.

Block 174 weist dem Bildvolumendatensatz 150 zusätzliche räumliche Daten zu, einschließlich von funktionellen Daten, wie einem Gravitationsvektor G. In diesem Beispiel wird der Gravitationsvektor G so dargestellt, dass er im Verhältnis zur Hüfte 152 in 3A nach unten zum Boden zeigt, weil der Patient aufrecht steht, während der Bildvolumendatensatz 150 erfasst wird. Der Gravitationsvektor wird mit einem Inertialsystem mit einem Beschleunigungsmesser erfasst, aber er kann von jedem ausreichenden bekannten System, wie beispielsweise einem Füllstand-Messsystem oder anderen Systemen, erfasst werden. Der Gravitationsvektor G wird räumlich zugeordnet durch die Bestimmung einer Ausrichtung des Gravitationsvektors G in Bezug auf den anatomischen Parameter und/oder eine willkürliche Achse, wie etwa einen bestimmten Neigungswinkel ß zur Frontalebene 156. In weiteren Beispielen können andere anatomische Parameter definiert werden, zum Beispiel eine funktionelle Ebene 158, ein Beckenkamm, eine Schambeinfuge und dergleichen, und dadurch verschiedene Ebenen und Winkel definiert werden, wobei der Gravitationsvektor G zu solchen anatomischen Parametern in Relation gesetzt werden kann.Block 174 assigns additional spatial data to the image volume dataset 150, including functional data such as a gravity vector G. In this example, the gravity vector G is represented as being relative to the hip 152 in 3A points downward toward the floor because the patient is standing upright while the image volume dataset 150 is acquired. The gravity vector is acquired with an inertial system having an accelerometer, but it may be acquired by any sufficiently known system, such as a level measurement system or other systems. The gravity vector G is spatially assigned by determining an orientation of the gravity vector G with respect to the anatomical parameter and/or an arbitrary axis, such as a particular inclination angle β to the frontal plane 156. In further examples, other anatomical parameters may be defined, for example a functional plane 158, an iliac crest, a pubic symphysis, and the like, and thereby define various planes and angles, wherein the gravity vector G may be related to such anatomical parameters.

Block 176 erfasst einen intraoperativen Bildvolumendatensatz 160 des gleichen allgemeinen Bereichs, während der Patient 154 in einer allgemeinen Bauchlage liegt in ähnlicher Weise wie bei Block 170.Block 176 acquires an intraoperative image volume dataset 160 of the same general area while the patient 154 is in a general prone position in a manner similar to block 170.

Block 178 führt einen Datenvergleich durch, um den präoperativen Bildvolumendatensatz 150 und den intraoperativen Bildvolumendatensatz 160 unter Verwendung eines geeigneten Datenzuordnungsverfahren, wie beispielsweise der Zuordnung nach dem Bildträgheitsmoment oder den zuvor beschriebenen Volumendatenzuordnungsverfahren zu registrieren. Durch diese Registrierung wird der Gravitationsvektor G gleichzeitig oder später auf den intraoperativen Datensatz 160 übertragen um während des Eingriffs verwendet zu werden.Block 178 performs a data comparison to register the preoperative image volume data set 150 and the intraoperative image volume data set 160 using an appropriate data mapping method, such as the image moment of inertia mapping or the volume data mapping methods described previously. Through this registration, the gravity vector G is simultaneously or later transferred to the intraoperative data set 160 for use during the procedure.

Block 180 zeigt den Bildvolumendatensatz 160 auf der Anzeigeeinheit 22 mit dem Gravitationsvektor G bei der Registrierung mit den Knochen der Hüfte. Eine Ersatzprothese kann dann mit den Knochen der Hüfte über das chirurgische Navigationssystem 20 so ausgerichtet werden, dass sie in Beziehung zu den Knochen steht, die auf der Grundlage der Stellung der Knochen in Bezug auf den Gravitationsvektor vorausgewählt wurden.Block 180 displays the image volume data set 160 on the display unit 22 with the gravity vector G registered with the bones of the hip. A replacement prosthesis can then be aligned with the bones of the hip via the surgical navigation system 20 to relate to the bones preselected based on the position of the bones with respect to the gravity vector.

Die in Bezug auf die 3A-3C dargestellte und beschriebene Methode wird vorzugsweise vom chirurgischen Navigationssystem 20 umgesetzt, und die Blöcke 172, 174, 178 und 180 werden vorzugsweise durch entsprechende Computersoftwareroutinen durchgeführt, die dem Computersystem 24 zugeordnet sind und dieses vorzugsweise mit irgendeiner verfügbaren den Fachleuten bekannten Methode steuern.The information relating to the 3A-3C The method illustrated and described is preferably implemented by the surgical navigation system 20, and blocks 172, 174, 178, and 180 are preferably performed by corresponding computer software routines associated with and controlling the computer system 24, preferably by any available method known to those skilled in the art.

Die 4A-4C zeigen ein Beispiel für ein Volumendatensatzzuordnungsregistrierungsverfahren, wobei drei Datenerfassungsbildschirmabbilder gezeigt werden. In einem ersten Schritt wird ein präoperativer Volumendatensatz 190 von einer Hüfte eines Patienten mit einer Ultraschallsonde erfasst und auf einem Bildschirm dargestellt, wie in 4A gezeigt, und ihm ein erstes willkürliches Bezugssystem 192 zugewiesen. Wahlweise werden zusätzliche räumliche Daten, wie ein Gravitationsvektor G in einer einzigartigen räumlichen Lage in Bezug auf den Volumendatensatz Satz 190 assoziiert. Dann wird ein intraoperativer Volumendatensatz 194 von der Hüfte erfasst und ihm ein zweites willkürliches Bezugssystem 196 zugewiesen. Im vorliegenden Beispiel umfasst der anatomische Parameter der Hüfte einen rechten Beckenkamm 198, einen linken Beckenkamm 200 und eine Schambeinfuge 202 im präoperativen Volumendatensatz. Der gleiche rechte und linke Beckenkamm und die Schambeinfuge sind auch im intraoperativen Volumendatensatz 194 identifiziert, wobei solche Strukturen in den prä- und intraoperativen Volumendatensätzen ein einzigartiges willkürliches Bezugssystem für die Datensätze bilden können. Zusätzlich oder alternativ wird das Bildträgheitsmoment für jeden der präoperativen und intraoperativen Volumendatensätze 190 und 194 berechnet, so dass das Bildträgheitsmoment des präoperativen Volumendatensatzes 190 gleich oder ähnlich genug wie das Bildträgheitsmoment des intraoperativen Volumendatensatzes 194 ist. Vorzugsweise gibt es eine Überschneidung von etwa siebzig Prozent oder mehr zwischen den beiden Volumendatensätzen 190 und 194. 4B zeigt den präoperativen Volumendatensatz 190 und den intraoperativen Volumendatensatz 194 der Hüfte, die sich vor der Registrierung überschneiden, wie bei dem ersten und zweiten aufeinander abgestimmten willkürlichen Bezugssystemen 192 und 196, die nicht registriert werden. Der präoperative Datensatz 190 und der intraoperative Datensatz 194 werden dann durch eine Bezugssystemübertragung durch Überlagerung und Korrelation der Bezugssystem der jeweiligen Datensätze registriert, wie zum Beispiel in 4C zu sehen, das die prä- und intraoperativen Volumendatensätze 190 und 194 der Hüfte zeigt, die sich nach der Registrierung überschneiden. Nachdem die präoperativen und intraoperativen Volumendatensätze registriert sind, wird die Transformation zwischen den Datensätzen verwendet, um die zusätzlichen räumlichen Daten, wie den Gravitationsvektor, aus dem präoperativen Volumendatensatz 190 in Relation zum intraoperativen Volumendatensatz 194 zu setzen. Wie oben dargelegt, wird der Gravitationsvektor G in Bezug auf einen anatomischen Parameter der Hüfte im präoperativen Volumendatensatz ermittelt und dem Volumendatensatz in einer einzigartigen räumlichen Ausrichtung zu ihm zugewiesen.The 4A-4C show an example of a volume dataset mapping registration procedure, showing three data acquisition screen shots In a first step, a preoperative volume data set 190 of a patient's hip is acquired with an ultrasound probe and displayed on a screen, as in 4A and assigned a first arbitrary reference frame 192. Optionally, additional spatial data, such as a gravity vector G, is associated in a unique spatial location with respect to the volume data set 190. An intraoperative volume data set 194 of the hip is then acquired and assigned a second arbitrary reference frame 196. In the present example, the anatomical parameter of the hip includes a right iliac crest 198, a left iliac crest 200, and a pubic symphysis 202 in the preoperative volume data set. The same right and left iliac crests and pubic symphysis are also identified in the intraoperative volume data set 194, where such structures in the preoperative and intraoperative volume data sets may form a unique arbitrary reference frame for the data sets. Additionally or alternatively, the image moment of inertia is calculated for each of the preoperative and intraoperative volume data sets 190 and 194 such that the image moment of inertia of the preoperative volume data set 190 is equal to or similar enough to the image moment of inertia of the intraoperative volume data set 194. Preferably, there is an overlap of about seventy percent or more between the two volume data sets 190 and 194. 4B shows the preoperative volume data set 190 and the intraoperative volume data set 194 of the hip overlapping prior to registration, as in the first and second matched arbitrary reference frames 192 and 196, which are not registered. The preoperative data set 190 and the intraoperative data set 194 are then registered by a reference frame transfer by superimposing and correlating the reference frames of the respective data sets, as in 4C which shows the pre- and intra-operative volume data sets 190 and 194 of the hip overlapping after registration. After the pre-operative and intra-operative volume data sets are registered, the transformation between the data sets is used to relate the additional spatial data, such as the gravity vector, from the pre-operative volume data set 190 to the intra-operative volume data set 194. As stated above, the gravity vector G is determined with respect to an anatomical parameter of the hip in the pre-operative volume data set and assigned to the volume data set in a unique spatial orientation thereto.

Die Ausgestaltungen der 3A-3C und 4A-4C bieten eine Verbesserung gegenüber früheren chirurgischen Eingriffen, bei denen in der Regel die funktionelle Ebene 158 als eine Näherung für den Gravitationsvektors G verwendet wurde. Die funktionelle Ebene 158 kann mit Hilfe bekannter Methoden bestimmt werden, zum Beispiel durch Bestimmung eines vorderen oberen Beckenwirbels und durch die Integration von Körperachsen in Längsrichtung. Obwohl die funktionelle Ebene 158 eine ziemlich gute Annäherung an den Gravitationsvektor geboten hat, gibt es in der Regel eine Differenz von etwa 5° bis etwa 10° zwischen der Ausrichtung der funktionellen Ebene 158 und dem Gravitationsvektor. Daher ist die Bestimmung und Zuordnung des Gravitationsvektors G eine viel genauere und zuverlässigere Methode zur Berücksichtigung funktioneller Aspekte des Patienten bei normalen Aktivitäts- und Bewegungsparametern.The design of the 3A-3C and 4A-4C provide an improvement over previous surgical procedures which typically used the functional plane 158 as an approximation for the gravitational vector G. The functional plane 158 can be determined using known methods, for example, by determining an anterior superior iliac vertebra and by integrating longitudinal body axes. Although the functional plane 158 has provided a fairly good approximation of the gravitational vector, there is typically a difference of about 5° to about 10° between the orientation of the functional plane 158 and the gravitational vector. Therefore, determining and assigning the gravitational vector G is a much more accurate and reliable method of accounting for functional aspects of the patient under normal activity and movement parameters.

Die hier beschriebenen Konzepte können auch bei orthopädischen, rekonstruktiven oder unfallchirurgischen Eingriffen eingesetzt werden, bei denen es wichtig ist, die Funktion und Anatomie eines betroffenen Gebiets wiederherzustellen. In einigen Fällen wird ein nicht betroffenes Gebiet verwendet, um ein betroffenes Gebiet zu spiegeln, um symmetrische biomechanische Parameter zu erhalten, wie etwa räumliche Beziehungen, Winkel und biomechanische Parameter, um das betroffene Gebiet wiederherzustellen. Nur zur Veranschaulichung in Hinsicht auf 5 können im Falle eines Patienten mit einem gebrochenen linken Oberschenkel Bilddaten und funktionelle Daten für einen gesunden rechten Oberschenkel des Patienten gewonnen werden. Die funktionellen Daten für den rechten Oberschenkel können nach dem Verfahren von 2 zum gebrochenen linken Oberschenkelknochen in Relation gesetzt werden um symmetrische biomechanische Parameter zur Wiederherstellung des gebrochenen linken Oberschenkelknochens zu erhalten. In diesem Beispiel werden die Datensätze für den rechten und linken Oberschenkel in der Regel intraoperativ erfasst, aufgrund von Umständen der typischen Unfallchirurgie, wie sie für einen Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich wären.The concepts described here may also be used in orthopedic, reconstructive or trauma surgery procedures where it is important to restore the function and anatomy of an affected area. In some cases, an unaffected area is used to mirror an affected area to obtain symmetrical biomechanical parameters, such as spatial relationships, angles and biomechanical parameters to restore the affected area. For illustrative purposes only with respect to 5 In the case of a patient with a fractured left femur, image data and functional data for a healthy right femur of the patient can be obtained. The functional data for the right femur can be obtained using the method of 2 to the fractured left femur in order to obtain symmetrical biomechanical parameters for the reconstruction of the fractured left femur. In this example, the data sets for the right and left femur are usually acquired intraoperatively, due to circumstances of typical trauma surgery, as would be obvious to a professional in this field.

Im Beispiel aus 5 zeigt ein schematischer Bilddatensatz 210 von einem linken Oberschenkelknochen (Femur) 212 und einem rechten Oberschenkelknochen 214, dass der linke Oberschenkelknochen 212 ein Trauma erlitten hat, nämlich eine schwere Fraktur 216 über den Schenkelhals und eine Abtrennung des linken Hüftkopfes 218, während der rechte Oberschenkelknochen 214 nicht betroffen ist. Der Bilddatensatz 210 kann in einem Arbeitsgang mit jeder geeigneten Modalität erfasst werden, etwa mit der Ultraschallsonde 32 und dem chirurgischen Navigationssystem 20, wie oben beschrieben, und im Computersystem 24 gespeichert werden. Das Computersystem 24 entwickelt dann aus dem Bilddatensatz 210 Daten für den linken und rechten Oberschenkelknochen 212 und 214. Die Daten umfassen einen ersten Volumendatensatz 220 einschließlich des linken Hüftkopfs 218 und einen zweiten Volumendatensatz 222 einschließlich eines Teils des linken Oberschenkelkörpers 224. Die Volumendatensätze 220 und 222 liegen vorzugsweise nicht benachbart zueinander und/oder sind mathematisch voneinander auf gegenüberliegenden Seiten der Fraktur 216 isoliert. Ferner gehört zu den Daten auch ein dritter Volumendatensatz 226, der den gesunden rechten Oberschenkelknochen 214 enthält. Der dritte Volumendatensatz 226 umfasst einen Volumendatensatz 228 vom Hüftkopf des rechten Oberschenkelknochens 214 und einen nicht damit zusammenhängenden Volumendatensatz 230 von einem Teil des rechten Oberschenkelkörpers. Der rechte Oberschenkelknochen 214 wird vorzugsweise während der gesamten Erfassung des Datensatzes 226, einschließlich der Volumendatensätze 228 und 230, unbeweglich gehalten. Alternativ kann auch ein Tracking-Gerät (nicht dargestellt) am Oberschenkelknochen 214 befestigt werden, während der Volumendatensatz 226 erfasst wird, um die Positionsdaten der Volumendatensätze 228 und 230 relativ zueinander zu untermauern und/oder die Bewegung des rechten Oberschenkels während der Erfassung des Volumendatensatzes 226 zu korrigieren.In the example from 5 a schematic image data set 210 of a left femur 212 and a right femur 214 shows that the left femur 212 has sustained trauma, namely a severe fracture 216 across the femoral neck and a separation of the left femoral head 218, while the right femur 214 is unaffected. The image data set 210 can be acquired in one operation using any suitable modality, such as the ultrasound probe 32 and the surgical navigation system 20, as described above, and stored in the computer system 24. The computer system 24 then develops data for the left and right femurs 212 and 214. The data includes a first volume data set 220 including the left femoral head 218 and a second volume data set 222 including a portion of the left femoral body 224. The volume data sets 220 and 222 are preferably non-adjacent to one another and/or mathematically isolated from one another on opposite sides of the fracture 216. The data also includes a third volume data set 226 including the healthy right femur 214. The third volume data set 226 includes a volume data set 228 of the femoral head of the right femur 214 and an unrelated volume data set 230 of a portion of the right femoral body. The right femur 214 is preferably held immobile throughout the acquisition of the data set 226, including the volume data sets 228 and 230. Alternatively, a tracking device (not shown) may be attached to the femur 214 while the volume data set 226 is being acquired to corroborate the position data of the volume data sets 228 and 230 relative to each other and/or to correct for the movement of the right femur during acquisition of the volume data set 226.

Jedem Volumendatensatz 220, 222, 228 und 230 wird jeweils ein willkürliches Bezugssystem 232, 234, 236 und 238 zugewiesen. Jedes Bezugssystem 232, 234, 236 und 238 hat vorzugsweise eine Lage und Ausrichtung, die mit einem eindeutig identifizierbaren Aspekt des Volumendatensatzes, wie dem hier beschriebenen Bildträgheitsmoment, korreliert.Each volume data set 220, 222, 228 and 230 is assigned an arbitrary reference system 232, 234, 236 and 238, respectively. Each reference system 232, 234, 236 and 238 preferably has a location and orientation that correlates with a uniquely identifiable aspect of the volume data set, such as the image moment of inertia described herein.

Es werden zusätzliche räumliche Daten erstellt, die einen Vektor 240 bilden, der die räumliche Beziehung, einschließlich Position und Ausrichtung, der Volumendatensätze 222 und 230 zueinander eindeutig definiert. Somit sind die Bezugssysteme 236 und 238 durch den Vektor 240 in einem globalen Bezugssystem 242, wie der Kameraanordnung 26, räumlich miteinander korreliert obwohl die beiden Volumendatensätze nicht miteinander zusammenhängen. Natürlich können auch andere globale Bezugssysteme verwendet werden. Die Berechnung des zusätzlichen Vektors 240 ist vielleicht nicht erforderlich oder kann zur zusätzlichen mathematischen Untermauerung dienen, indem sie redundante Messungen zur Verfügung stellt, wenn zum Beispiel der Volumendatensatz 228 nicht mit dem Volumendatensatz 230 zusammenhängt.Additional spatial data is created that forms a vector 240 that uniquely defines the spatial relationship, including position and orientation, of the volume data sets 222 and 230 to each other. Thus, the reference frames 236 and 238 are spatially correlated by the vector 240 in a global reference frame 242, such as the camera array 26, even though the two volume data sets are not related to each other. Of course, other global reference frames may be used. The calculation of the additional vector 240 may not be required or may serve to provide additional mathematical support by providing redundant measurements if, for example, the volume data set 228 is not related to the volume data set 230.

Als nächstes werden der erste Volumendatensatz 220 und der zweite Volumendatensatz 222 des betroffenen linken Oberschenkels 212 einander zugeordnet und mit den korrespondierenden Teilen 228 bzw. 230 des dritten Volumendatensatzes 226 des rechten nicht betroffenen Oberschenkels 214 registriert, um eine rekonstruierte Position des linken Hüftkopfes 218 und des linken Oberschenkelkörpers 224 zu ermitteln, die mit den entsprechenden Teilen des rechten nicht betroffenen Oberschenkelknochens 214 übereinstimmen. In einem als Beispiel dienenden Verfahren umfasst der Registrierungsprozess die Übertragung eines Bezugssystems des rechten nicht betroffenen Oberschenkelknochens 214 auf das Bezugssystem der Volumendatensätze 220 und 222 des betroffenen linken Oberschenkelknochens 212. Dazu wird von der Annahme ausgegangen, dass die Form und Position des linken Oberschenkelknochens 212 ein identisches Spiegelbild der Form und der Position des rechten Oberschenkelknochens 214, gespiegelt an einer Mittelachse zwischen ihnen, ist. Es wird angenommen, dass die Formen der Teile des rechten Oberschenkelknochens 214 die in den Volumendatensätzen 228 und 230 erfasst sind, im Wesentlichen den Formen der entsprechenden Teile des linken Oberschenkelknochens 212, die jeweils in den Volumendatensätzen 220 und 222 erfasst sind, entsprechen. Unter diesen Voraussetzungen werden die Bezugssysteme 236 und 238 und die entsprechenden Volumendatensätze 228 und 230 und der Vektor 240 des rechten Oberschenkelknochens 214 mathematisch an einer Mittelachse 244 gespiegelt, so dass sie so ausgerichtet sind, dass sie mit dem linken Oberschenkelknochen 212 übereinstimmen. Einer der Volumendatensätze 220 oder 222 des linken Oberschenkelknochens 212 wird dann dem entsprechenden gespiegelten Volumendatensatz 228 oder 230 des rechten Oberschenkelknochens 214 zugeordnet. Zum Beispiel können die Volumendatensätze 222 und 238 eine leicht identifizierbare dreidimensionale Eigenschaft besitzen, wie den Trochanter minor 246, die verwendet werden kann, um den Volumendatensatz 222 mit dem gespiegelten Volumendatensatz 238 zu registrieren. In einem anderen Beispiel wird ein Bildträgheitsmoment für die beiden Volumendatensätze 222 und 238 berechnet, und die Bildträgheitsmomente werden dann nach Spiegelung der Daten des rechten Oberschenkelknochens einander zugeordnet. Es können auch weitere Methoden zur Registrierung gespiegelter korrespondierender Volumendatensätze verwendet werden.Next, the first volume data set 220 and the second volume data set 222 of the affected left femur 212 are associated with each other and registered with the corresponding portions 228 and 230, respectively, of the third volume data set 226 of the right unaffected femur 214 to determine a reconstructed position of the left femoral head 218 and the left femoral body 224 that correspond to the corresponding portions of the right unaffected femur 214. In an example method, the registration process includes mapping a reference frame of the right unaffected femur 214 to the reference frame of the volume data sets 220 and 222 of the affected left femur 212. To do so, it is assumed that the shape and position of the left femur 212 is an identical mirror image of the shape and position of the right femur 214 mirrored about a central axis between them. It is assumed that the shapes of the portions of the right femur 214 captured in the volume data sets 228 and 230 substantially correspond to the shapes of the corresponding portions of the left femur 212 captured in the volume data sets 220 and 222, respectively. Given these assumptions, the reference frames 236 and 238 and the corresponding volume data sets 228 and 230 and the vector 240 of the right femur 214 are mathematically mirrored about a central axis 244 so that they are aligned to coincide with the left femur 212. One of the volume data sets 220 or 222 of the left femur 212 is then associated with the corresponding mirrored volume data set 228 or 230 of the right femur 214. For example, volume data sets 222 and 238 may have an easily identifiable three-dimensional feature, such as the lesser trochanter 246, that can be used to register volume data set 222 with mirrored volume data set 238. In another example, an image moment of inertia is calculated for the two volume data sets 222 and 238, and the image moments of inertia are then associated with each other after mirroring the right femur data. Other methods for registering mirrored corresponding volume data sets may also be used.

Nachdem der Volumendatensatz 222 mit dem gespiegelten Volumendatensatz 238 registriert wurde, können Daten über die Ausrichtung anderer Teile des nicht betroffenen rechten Oberschenkelknochens 214 zum betroffenen linken Oberschenkelknochen 212 in Relation gesetzt und von einem Chirurgen verwendet werden, um die Bruchstücke des betroffenen linken Oberschenkelknochens 212 richtig zu positionieren. Zum Beispiel definieren der gespiegelte Vektor 240' und der Volumendatensatz 228 die theoretisch korrekte Position des linken Hüftkopfes 218 in Bezug auf den linken Oberschenkelkörper 224. Vorzugsweise werden die Tracking-Geräte 246 und 248 am linken Oberschenkelkörper 224 und dem linken Hüftkopf 218 angebracht und unabhängig voneinander während des gesamten Eingriffs vom chirurgischen Navigationssystem 20 verfolgt. Ein Chirurg kann dann die Bruchstücke 218 und 224 des linken Oberschenkelknochens so bewegen, dass sie mit den theoretisch abgeleiteten Positionen aufgrund der Registrierung in den gespiegelten Volumendatensätzen 228, 230 des rechten Oberschenkelknochens 214 übereinstimmen.After the volume data set 222 is registered with the mirrored volume data set 238, data on the orientation of other parts of the unaffected right femur 214 can be related to the affected left femur 212 and used by a surgeon to properly position the fragments of the affected left femur 212. For example, the mirrored vector 240' and the volume data set 228 define the theoretically correct position of the left hip head 218 with respect to the left femoral body 224. Preferably, the tracking devices 246 and 248 are attached to the left femoral body 224 and the left femoral head 218 and are tracked independently of one another throughout the procedure by the surgical navigation system 20. A surgeon can then move the fragments 218 and 224 of the left femur to match the theoretically derived positions based on registration in the mirrored volume data sets 228, 230 of the right femur 214.

Da nur die relative Lage von Teilen eines nicht betroffenen Knochens in Bezug auf die entsprechenden Teile des betroffenen Knochens von Interesse sind, gibt es keine Notwendigkeit, die absoluten Positionen der Volumendatensätze 220, 222, 226, 228 und 230 im Verhältnis zum Rest des Körpers des Patienten mit Hilfe von lokalen Bezugssystemen zu berechnen. Vielmehr können die Volumendatensätze und die zugehörigen Bezugssysteme beliebig gewählt werden. Deshalb werden Zeit und Computerressourcen gespart, da es nicht erforderlich ist, ein lokales Bezugssystem zu erstellen. Natürlich ist das Verfahren nicht auf an einem Oberschenkelknochen geleistete Arbeit, wie sie hier beschrieben wurde, beschränkt, sondern kann mit geringfügigen Änderungen für jede anatomische Struktur verwendet werden, die im Wesentlichen auf gegenüberliegenden Seiten einer Mittelachse des Körpers spiegelgleich vorhanden ist, wie Arme, Rippen, Füße, Hände, Hüfte, usw.Since only the relative positions of portions of an unaffected bone with respect to corresponding portions of the affected bone are of interest, there is no need to calculate the absolute positions of the volume data sets 220, 222, 226, 228, and 230 relative to the rest of the patient's body using local reference frames. Rather, the volume data sets and associated reference frames may be chosen arbitrarily. Therefore, time and computer resources are saved because there is no need to create a local reference frame. Of course, the method is not limited to work performed on a femur as described here, but can be used with minor modifications for any anatomical structure that exists essentially in mirror image on opposite sides of a central axis of the body, such as arms, ribs, feet, hands, hips, etc.

Die vorliegende Erfindung berücksichtigt auch den Zusammenhang von räumlichen Daten aus einem Datensatz in Relation zu einer anatomischen Struktur zu einem ersten Zeitpunkt zu einem anderen Datensatz der gleichen anatomischen Struktur zu einem anderen Zeitpunkt, wie etwa ein anatomisches Bezugssystem. Eine als Beispiel dienende Situation, die in den 6A und 6B gezeigt wird, ist die Möglichkeit, ein anatomisches Bezugssystem präoperativ zu definieren, das wegen der Lage und Abdeckung des Patienten auf einem OP-Tisch während eines chirurgischen Eingriffs nicht zugänglich ist. In diesem Beispiel wird ein präoperativer Volumendatensatz eines Unterarms 250 erfasst, einschließlich von Bilddaten des/der darunter liegenden Knochen(s), mit Hilfe der verfolgten Ultraschallsonde 32 und des chirurgischen Navigationssystems 20 zu einem Zeitpunkt, wenn der Unterarm zugänglich ist. Zum Beispiel wird ein erster Volumendatensatz 252 an einer Stelle des Unterarms 250 erfasst und ein zweiter Volumendatensatz 254 an einer anderen Stelle des Unterarms 250, wenn beide Standorte zugänglich sind, wie in 6A gezeigt. Der präoperative Datensatz umfasst vorzugsweise Regionen des Unterarms 250, die zugänglich sein werden, nachdem das relevante Gebiet vorbereitet und abgedeckt wurde, oder die ansonsten nicht zugänglich sein werden. Ein anatomisches Bezugssystem oder andere räumliche Daten, wie ein globales Bezugssystem 256 der Kameraanordnung 26 wird in einem Stadium definiert, wenn die Anatomie zugänglich ist, und die willkürlichen Bezugssysteme 258 und 260 werden jeweils für die Volumendatensätze 252 und 254 definiert. Jedes Bezugssystem 258 und 260 ist aus dem zugehörigen Volumendatensatz eindeutig identifizierbar, wie beispielsweise durch eine bekannte Beziehung zum Bildträgheitsmoment der jeweiligen Volumendatensätze 252 und 254, wie zuvor dargelegt. Nachdem es definiert wurde, wird das anatomische Bezugssystem oder ein sonstiges globales Bezugssystem 256 geometrisch den willkürlichen Bezugssystem 258 und 260 für die präoperativen Datensätze zugeordnet, und ein Vektor 262 festgelegt, der die willkürlichen Bezugssysteme 258 und 260 und die jeweiligen Volumendatensätze 252 und 254 in einer einzigartigen räumlichen Lage zueinander assoziiert. Bei einer anschließenden Operation ist möglicherweise der Teil des Unterarms 250, der mit dem Volumendatensatz 254 übereinstimmt, für die Ultraschallsonde 32 nicht zugänglich, zum Beispiel auf Grund von Abdeckung, wie in 6B gezeigt, oder aus anderen Gründen. In diesem Fall wird mit Hilfe der Ultraschallsonde 32 und des chirurgischen Navigationssystems 20 ein nachfolgender Volumendatensatz 252' erfasst mit erheblichen Überschneidungen mit dem Volumendatensatz 252, und das willkürliche Bezugssystem 258 wird neu erstellt, um das anatomische oder globale Bezugssystem 256 zum nachfolgenden Volumendatensatz 252' in Relation zu setzen. Das willkürliche Bezugssystem 258 kann auf jede ausreichende Weise neu erstellt werden, zum Beispiel durch Zuordnung der Bildträgheitsmomente der Volumendatensätze 252 und 252' in einer im Wesentlichen ähnlichen Weise wie hier zuvor beschrieben, durch andere Volumenzuordnungsverfahren oder Oberflächenzuordnungsverfahren usw. Das Computersystem 24 berechnet noch einmal mit entsprechenden Programmroutinen aufgrund des Vektors 262 die Position des zweiten Volumendatensatzes 254, obwohl der Bereich des Unterarms 250 nicht zugänglich ist. Auf diese Weise ist das chirurgische Navigationssystem 20 fähig, die Lage von Teilen der Knochen des Unterarms 250 neu zu berechnen, obwohl nur ein Volumenteil von den Knochen, der zuvor identifiziert wurde, sichtbar ist, ohne dass dazu die vorher identifizierten Volumenteile sichtbar sein, oder wie oben beschrieben, lokale anatomische Orientierungspunkte definiert werden müssen. Das hier dargestellte Beispiel kann in ähnlicher Weise auf jede anatomische Eigenschaft angewendet werden, die im Laufe der Zeit eine relativ stabile strukturelle Geometrie aufrechterhält, wie etwa jeder Knochen, und kann erweitert werden, um es auf eine beliebige Anzahl von Volumendatensätzen anzuwenden, die sich räumlich miteinander verbinden lassen.The present invention also takes into account the relationship of spatial data from a data set relating to an anatomical structure at a first point in time to another data set of the same anatomical structure at a different point in time, such as an anatomical reference system. An exemplary situation described in the 6A and 6B is the ability to preoperatively define an anatomical reference system that is inaccessible due to the position and coverage of the patient on an operating table during a surgical procedure. In this example, a preoperative volume data set of a forearm 250, including image data of the underlying bone(s), is acquired using the tracked ultrasound probe 32 and the surgical navigation system 20 at a time when the forearm is accessible. For example, a first volume data set 252 is acquired at one location of the forearm 250 and a second volume data set 254 is acquired at another location of the forearm 250 when both locations are accessible, as in 6A . The preoperative data set preferably includes regions of the forearm 250 that will be accessible after the area of interest has been prepared and masked, or that will otherwise be inaccessible. An anatomical reference frame or other spatial data, such as a global reference frame 256 of the camera assembly 26, is defined at a stage when the anatomy is accessible, and the arbitrary reference frames 258 and 260 are defined for the volume data sets 252 and 254, respectively. Each reference frame 258 and 260 is uniquely identifiable from the associated volume data set, such as by a known relationship to the image moment of inertia of the respective volume data sets 252 and 254, as previously set forth. Once defined, the anatomical reference frame or other global reference frame 256 is geometrically associated with the arbitrary reference frames 258 and 260 for the pre-operative data sets, and a vector 262 is defined that associates the arbitrary reference frames 258 and 260 and the respective volume data sets 252 and 254 in a unique spatial relationship to one another. During a subsequent surgery, the portion of the forearm 250 that corresponds to the volume data set 254 may not be accessible to the ultrasound probe 32, for example due to occlusion, as shown in 6B shown, or for other reasons. In this case, a subsequent volume data set 252' is acquired with the aid of the ultrasound probe 32 and the surgical navigation system 20 with significant overlap with the volume data set 252, and the arbitrary reference frame 258 is re-established to relate the anatomical or global reference frame 256 to the subsequent volume data set 252'. The arbitrary reference frame 258 can be re-established in any sufficient manner, for example by mapping the image moments of inertia of the volume data sets 252 and 252' in a substantially similar manner as described hereinbefore, by other volume mapping methods or surface mapping methods, etc. The computer system 24 again calculates the position of the second volume data set 254 based on the vector 262 using appropriate program routines, even though the region of the forearm 250 is not accessible. In this way, the surgical navigation system 20 is able to recalculate the location of portions of the bones of the forearm 250 even though only a volume portion of the bones previously identified is visible, without requiring the previously identified volume portions to be visible or defining local anatomical landmarks as described above. The example presented here can similarly be applied to any anatomical feature that maintains a relatively stable structural geometry over time, such as any bone, and can be extended to apply to any number of volume data sets that can be spatially connected.

In einer anderen Anwendung werden funktionelle Daten über eine anatomische Struktur durch das Sammeln einer Vielzahl von Volumendatensätzen von der gleichen anatomischen Struktur in einer Vielzahl von unterschiedlichen Positionen zu entsprechenden unterschiedlichen Zeiten entwickelt, ohne dass es erforderlich ist, ein lokales anatomisches Bezugssystem zu identifizieren. Ein Beispiel für diese Anwendung wird in den 7A und 7B gezeigt, wo funktionelle Bewegungsparameter einer Hüfte eines Patienten 270 ermittelt werden. In diesem Beispiel wird ein erster Volumendatensatz 272 von einem Teil 274 des Oberschenkelknochens des Patienten und ein erster Volumendatensatz 276 eines Teils 278 des Beckens erfasst, bei beiden ist das Bein des Patienten in einer ausgestreckten Stellung. Ein zweiter Volumendatensatz 272' wird von im Wesentlichen dem gleichen Teil des Oberschenkelknochens des Patienten 274 erfasst und ein zweiter Volumendatensatz 276' von im Wesentlichen dem gleichen Teil 278 des Beckens des Patienten, bei beiden ist das Bein des Patienten in einer angewinkelten Stellung. Jedem Volumendatensatz 272, 276, 272' und 276' wird jeweils ein willkürliches Bezugssystem 280, 282, 284 und 286, zugewiesen, das in Korrelation zu einer bekannten Position in Bezug auf eine eindeutig identifizierbare Eigenschaft des jeweiligen Volumendatensatz steht. Vorzugsweise wird jedes beliebige Bezugssystem 280, 282, 284 und 286 mit um ein Bildträgheitsmoment eines jeden Volumendatensatzes 272, 276, 272' und 276' korreliert, obwohl auch andere identifizierbare einzigartige Eigenschaften eines bestimmten Volumendatensatzes, wie hier dargelegt, verwendet werden können. Weitere Positionsdaten, einschließlich eines Vektors 288 zwischen den Volumendatensätzen 272 und 276 und eines Vektor 288' zwischen den Volumendatensätzen 272' und 276' werden auf der Grundlage der Volumendatensätze in Relation zu einem globalen Bezugssystem 290 berechnet, wie etwa einem Bezugssystem der Kameraanordnung 26. In einigen Anwendungen kann ein Gravitationsvektor G mit einem oder mehreren der willkürlichen Bezugssysteme 280, 282, 284 und 286 korreliert werden, wie zuvor beschrieben. Die Bezugssysteme von verschiedenen Volumendatensätzen des gleichen Volumens, wie 272 und 272', werden miteinander aufgrund eines eindeutig identifizierbaren Merkmals des Volumens registriert, wie bereits hier dargelegt. Das Verfahren zur Erfassung von Volumendatensätzen des gleichen Teils des Oberschenkelknochens und des gleichen Teils des Beckens kann in mehreren zusätzlichen unterschiedlichen Positionen wiederholt werden, um einen Bewegungskegel der Hüfte unter normalen Bewegungsbedingungen zu bestimmen. Die Volumendatensätze 272, 276, 272' und 276' werden vorzugsweise unter Verwendung einer oder mehrerer Ultraschallsonden 32 erfasst, die von der Kameraanordnung 26 des chirurgischen Navigationssystems 20 so verfolgt werden, wie zuvor beschrieben. Bei einem Verfahren und System wird unter Verwendung einer einzigen verfolgten Ultraschallsonde 32 jeweils der Volumendatensatz 272, 276, 272' und 276' erfasst. In einem solchen System gibt es vorzugsweise keine Bewegung des Oberschenkelknochens und des Beckens, während die Volumendatensätze in jeder Position erfasst werden. In einem alternativen Verfahren und System werden mehrere verfolgte Ultraschallsonden 32 gleichzeitig verwendet, um kontinuierlich simultane Datensätze jeder anatomischen Struktur zu erfassen, während zum Beispiel das Bein des Patienten in verschiedene Positionen bewegt wird. Dann können funktionelle Bewegungsparameter des Hüftgelenks, die räumlich in Relation zu verschiedenen Volumendatensätzen stehen, wie zum Beispiel einem Bewegungsbereichskegel und dem Gravitationsvektor G auf der Basis der verschiedenen Volumendatensätze berechnet werden, ohne dass es erforderlich ist, lokale anatomische Bezugssysteme aufgrund von vordefinierten anatomischen Merkmalen zu erstellen und/oder zu ermitteln. Vorzugsweise führen ein oder mehrere der mit dem chirurgischen Navigationssystem 20 verbundenen Computersysteme 24 die erforderlichen Berechnungen durch und speichern alle zugehörigen Daten auf den Fachleuten auf diesem Gebiet bekannte Weise in zugeordneten Datenspeichern. Die gleiche oder ähnliche funktionelle Bewegungsanalysen können in ähnlicher Weise auch an anderen Körperteilen durchgeführt werden.In another application, functional data about an anatomical structure are developed by collecting a plurality of volume data sets from the same anatomical structure in a plurality of different positions at correspondingly different times, without the need to identify a local anatomical reference system. An example of this application is given in the 7A and 7B where functional motion parameters of a patient's hip 270 are determined. In this example, a first volume data set 272 is acquired from a portion 274 of the patient's femur and a first volume data set 276 is acquired from a portion 278 of the pelvis, both with the patient's leg in an extended position. A second volume data set 272' is acquired from substantially the same portion of the patient's femur 274 and a second volume data set 276' is acquired from substantially the same portion 278 of the patient's pelvis, both with the patient's leg in an flexed position. Each volume data set 272, 276, 272' and 276' is assigned an arbitrary reference system 280, 282, 284 and 286, respectively, which is correlated to a known position with respect to a uniquely identifiable property of the respective volume data set. Preferably, each arbitrary reference frame 280, 282, 284, and 286 is correlated with an image moment of inertia of each volume data set 272, 276, 272', and 276', although other identifiable unique properties of a particular volume data set may be used as set forth herein. Additional position data, including a vector 288 between the volume data sets 272 and 276 and a vector 288' between the volume data sets 272' and 276', is calculated based on the volume data sets in relation to a global reference frame 290, such as a reference frame of the camera assembly 26. In some applications, a gravity vector G may be correlated with one or more of the arbitrary reference frames 280, 282, 284, and 286, as previously described. The reference frames of different volume data sets of the same volume, such as 272 and 272', are registered to one another based on a uniquely identifiable feature of the volume, as previously set forth herein. The process of acquiring volume data sets of the same portion of the femur and the same portion of the pelvis may be repeated in several additional different positions to determine a cone of motion of the hip under normal motion conditions. The volume data sets 272, 276, 272', and 276' are preferably acquired using one or more ultrasound probes 32 tracked by the camera assembly 26 of the surgical navigation system 20 as previously described. In one method and system, the volume data set 272, 276, 272', and 276' are each acquired using a single tracked ultrasound probe 32. In such a system, there is preferably no motion of the femur and pelvis while the volume data sets are acquired in each position. In an alternative method and system, multiple tracked ultrasound probes 32 are used simultaneously to continuously acquire simultaneous data sets of each anatomical structure while, for example, the patient's leg is moved into various positions. Functional motion parameters of the hip joint spatially related to various volume data sets, such as a range of motion cone and the gravity vector G, can then be calculated based on the various volume data sets without the need to create and/or determine local anatomical reference frames based on predefined anatomical features. Preferably, one or more of the computer systems 24 associated with the surgical navigation system 20 perform the required calculations and store all associated data in associated data stores in a manner known to those skilled in the art. The same or similar functional motion analyses can be performed in a similar manner on other parts of the body.

Andere Ausgestaltungen mit verschiedenen Kombinationen der einzelnen Merkmale einer jeden der oben beschriebenen Ausgestaltungen sind ausdrücklich hierin eingeschlossen,Other embodiments with different combinations of the individual features of each of the embodiments described above are expressly included herein,

GEWERBLICHE ANWENDBARKEITINDUSTRIAL APPLICABILITY

Die hier beschriebenen Verfahren und Systeme können die Weitergabe von Daten aus einem Datensatz an einen anderen Datensatz erleichtern, wobei die Daten in dem anderen Datensatz sonst nicht verfügbar oder nicht leicht verfügbar wären. Die hier offenbarten Methoden und Systeme nutzen in vielerlei Hinsicht vorteilhaft willkürlich definierte einzigartige Bezugssysteme in verschiedenen Datensätzen, um die Datensätze leicht registrieren und die Daten von einem zum anderen in Relation setzen zu können, ohne dass Kennzeichnung und Verwendung bestimmter Orientierungspunkte, die über zwei oder mehr Datensätze verglichen und/oder zugeordnet werden können, erforderlich ist. Zu den besonderen Verfahren, die von den hier offenbarten Erkenntnissen profitieren können, gehören chirurgische Eingriffe, wie die Hüftgelenksplastik, um funktionelle Beurteilungen während der Chirurgie und Unfallchirurgie durchzuführen, um Daten aus einer nicht betroffenen anatomischen Struktur auf eine betroffene anatomische Struktur zu spiegeln.The methods and systems described herein can facilitate the transfer of data from one data set to another data set where the data in the other data set would otherwise be unavailable or not readily available. The methods and systems disclosed herein advantageously utilize arbitrarily defined unique reference systems in different data sets to easily register the data sets and relate the data from one to the other without requiring the labeling and use of specific landmarks that can be compared and/or associated across two or more data sets. Particular procedures that may benefit from the findings disclosed herein include surgical procedures such as hip arthroplasty, to perform functional assessments during surgery and trauma surgery, to extract data from a unaffected anatomical structure to an affected anatomical structure.

Zahlreiche Modifikationen der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute auf diesem Gebiet angesichts der vorhergehenden Beschreibung offensichtlich sein. Dementsprechend ist diese Beschreibung als nur illustrativ zu verstehen und wird vorgelegt, um es den Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung zu machen und zu verwenden und die beste Methode zu ihrer Durchführung zu lehren. Die exklusiven Rechte an allen Modifikationen, die in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen, sind vorbehalten. Alle hier genannten Patente und Patentanmeldungen sind hier in ihrer Gesamtheit aufgenommen.Numerous modifications of the present invention will be apparent to those skilled in the art in light of the foregoing description. Accordingly, this description is to be considered as illustrative only and is presented to enable those skilled in the art to make and use the invention and to teach the best mode for carrying it out. Exclusive rights to all modifications that come within the scope of the appended claims are reserved. All patents and patent applications cited herein are incorporated herein in their entirety.

Claims (36)

Ein computergestütztes Verfahren zur Registrierung von Daten, die mit einem ersten Datensatz assoziiert sind, in einem zweiten Datensatz, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erfassung eines ersten Datensatzes von einer anatomischen Struktur mit einem bildverarbeitenden Gerät; Entwicklung zusätzlicher Daten für den ersten Datensatz, wobei die zusätzlichen Daten in einer einzigartigen identifizierbaren räumlichen Relation zur Struktur des ersten Datensatzes stehen, wobei die zusätzlichen Daten einen Gravitationsvektor umfassen; Erstellung eines ersten willkürlichen Bezugssystems für den ersten Datensatz, wobei das erste Bezugssystem ohne Bezugnahme auf einen vorgewählten Orientierungspunkt in der Struktur erstellt wird und das erste Bezugssystem in einer einzigartigen räumlichen Beziehung zum ersten Datensatz steht; Erfassung eines zweiten Datensatzes der anatomischen Struktur mit einem bildverarbeitenden Gerät; Erstellung eines zweiten willkürlichen Bezugssystems für den zweiten Datensatz; Transformation des ersten Bezugssystems zum zweiten Bezugssystem durch Zuordnung eines einzigartigen räumlichen Parameters des ersten Datensatzes zu dem gleichen einzigartigen räumlichen Parameter des zweiten Datensatzes, und Registrierung der zusätzlichen Daten im zweiten Datensatz.A computer-assisted method for registering data associated with a first data set into a second data set, the method comprising the steps of: acquiring a first data set from an anatomical structure with an image processing device; developing additional data for the first data set, the additional data having a unique identifiable spatial relationship to the structure of the first data set, the additional data comprising a gravity vector; establishing a first arbitrary reference frame for the first data set, the first reference frame being established without reference to a preselected landmark in the structure and the first reference frame having a unique spatial relationship to the first data set; acquiring a second data set of the anatomical structure with an image processing device; establishing a second arbitrary reference frame for the second data set; transforming the first reference frame to the second reference frame by mapping a unique spatial parameter of the first data set to the same unique spatial parameter of the second data set, and registering the additional data in the second data set. Das Verfahren von Patentanspruch 1, wobei der Schritt zur Erstellung eines ersten Bezugssystems folgende Schritte umfasst: Berechnung einer inhärenten Eigenschaft des ersten Datensatzes, wobei die inhärente Eigenschaft eine einzigartige Position und Ausrichtung in Relation zur anatomischen Struktur hat, die von jeder Referenzposition aus identifiziert werden kann, und Korrelation der inhärenten Eigenschaft mit dem ersten willkürlichen Bezugssystem.The procedure of patent claim 1 , wherein the step of creating a first reference system comprises the steps of: calculating an inherent property of the first data set, the inherent property having a unique position and orientation relative to the anatomical structure that can be identified from any reference position, and correlating the inherent property with the first arbitrary reference system. Ein computergestütztes Verfahren zur Registrierung von Daten, die mit einem ersten Datensatz assoziiert sind, in einem zweiten Datensatz, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erfassung eines ersten Datensatzes von einer anatomischen Struktur mit einem bildverarbeitenden Gerät; Entwicklung zusätzlicher Daten für den ersten Datensatz, wobei die zusätzlichen Daten in einer einzigartigen identifizierbaren räumlichen Relation zur Struktur des ersten Datensatzes stehen; Erstellung eines ersten willkürlichen Bezugssystems für den ersten Datensatz, wobei das erste Bezugssystem ohne Bezugnahme auf einen vorgewählten Orientierungspunkt in der Struktur erstellt wird und das erste Bezugssystem in einer einzigartigen räumlichen Beziehung zum ersten Datensatz steht; Erfassung eines zweiten Datensatzes der anatomischen Struktur mit einem bildverarbeitenden Gerät; Erstellung eines zweiten willkürlichen Bezugssystems für den zweiten Datensatz; Transformation des ersten Bezugssystems zum zweiten Bezugssystem durch Zuordnung eines einzigartigen räumlichen Parameters des ersten Datensatzes zu dem gleichen einzigartigen räumlichen Parameter des zweiten Datensatzes, und Registrierung der zusätzlichen Daten im zweiten Datensatz, wobei der Schritt zur Erstellung eines ersten Bezugssystems folgende Schritte umfasst: Berechnung einer inhärenten Eigenschaft des ersten Datensatzes, wobei die inhärente Eigenschaft eine einzigartige Position und Ausrichtung in Relation zur anatomischen Struktur hat, die von jeder Referenzposition aus identifiziert werden kann, und Korrelation der inhärenten Eigenschaft mit dem ersten willkürlichen Bezugssystem, wobei die inhärente inhärenter Eigenschaft des ersten Datensatzes ein Bildträgheitsmoment des ersten Datensatzes umfasst.A computer-assisted method for registering data associated with a first data set into a second data set, the method comprising the steps of: acquiring a first data set of an anatomical structure with an imaging device; developing additional data for the first data set, the additional data having a uniquely identifiable spatial relationship to the structure of the first data set; establishing a first arbitrary reference system for the first data set, the first reference system being established without reference to a preselected landmark in the structure, the first reference system having a unique spatial relationship to the first data set; acquiring a second data set of the anatomical structure with an imaging device; establishing a second arbitrary reference system for the second data set; Transforming the first reference frame to the second reference frame by mapping a unique spatial parameter of the first data set to the same unique spatial parameter of the second data set, and registering the additional data in the second data set, wherein the step of creating a first reference frame comprises the steps of: calculating an inherent property of the first data set, the inherent property having a unique position and orientation relative to the anatomical structure that can be identified from any reference position, and correlating the inherent property with the first arbitrary reference frame, wherein the inherent property of the first data set comprises an image moment of inertia of the first data set. Das Verfahren von Patentanspruch 2 oder 3, wobei der Schritt zur Erstellung eines zweiten willkürlichen Bezugssystems folgende Schritte umfasst: Ermittlung der inhärenten Eigenschaft im zweiten Datensatz und Korrelation der inhärenten Eigenschaft mit dem zweiten willkürlichen Bezugssystem.The procedure of patent claim 2 or 3 , wherein the step of creating a second arbitrary reference system comprises the steps of: determining the inherent property in the second data set and correlating the inherent property with the second arbitrary reference system. Das Verfahren von Patentanspruch 4, wobei der Schritt der Transformation den folgenden Schritt umfasst: Registrierung des ersten Datensatzes mit dem zweiten Datensatz auf der Basis der inhärenten Eigenschaft, wobei der Registrierungsschritt von einem Computer durchgeführt wird.The procedure of patent claim 4 , wherein the step of transforming comprises the step of: registering the first data set with the second data set based on the inherent property, wherein the registration step is performed by a computer. Das Verfahren von Patentanspruch 5, das ferner den Schritt der Darstellung der zusätzlichen Daten in der Registrierung mit dem zweiten Datensatz auf einem Anzeigegerät umfasst, und wobei die Erfassungsschritte die Erfassung von Datensätzen mit einem computergestützten chirurgischen Navigationssystem aufweisen.The procedure of patent claim 5 , which further comprises the step of presenting the additional data in the registry with the second data set on a display device, and wherein the acquiring steps comprise acquiring data sets with a computer-assisted surgical navigation system. Ein computergestütztes Verfahren zur Assoziierung räumlicher Daten im Zusammenhang mit einem ersten Volumendatensatz einer anatomischen Struktur mit einem zweiten Volumendatensatz dieser anatomischen Struktur, das die folgenden Schritte umfasst: Erfassung eines ersten Volumendatensatzes der anatomischen Struktur mit einem computergestützten chirurgischen Navigationssystem; Zuweisung eines ersten willkürlichen Bezugssystems zum ersten Volumendatensatz; Berechnung einer inhärenten Eigenschaft des ersten Volumendatensatzes, wobei die inhärente Eigenschaft eine einzigartige Position und Ausrichtung in Bezug auf die anatomische Struktur hat, die von jeder Referenzposition aus ermittelt werden kann; Korrelation der inhärenten Eigenschaft mit dem ersten willkürlichen Bezugssystem; Assoziierung zusätzlicher räumlicher Daten mit dem ersten Volumendatensatz, wobei die zusätzlichen räumlichen Daten eine einzigartige räumliche Beziehung korreliert mit dem ersten willkürlichen Bezugssystem haben; Erfassung eines zweiten Volumendatensatzes der anatomischen Struktur mit einem computergestützten chirurgischen Navigationssystem; Zuordnung eines zweiten willkürlichen Bezugssystems zum zweiten Volumendatensatz; Ermittlung der inhärenten Eigenschaft im zweiten Volumendatensatz; Korrelation der inhärenten Eigenschaft mit dem zweiten willkürlichen Bezugssystem; Registrierung des ersten Volumendatensatzes mit dem zweiten Volumendatensatz basierend auf der inhärenten Eigenschaft, wobei der Registrierungsschritt von einem Computer durchgeführt wird; Korrelation der zusätzlichen räumlichen Daten mit dem zweiten Volumendatensatz bei der Registrierung darin, und Anzeige der zusätzlichen räumlichen Daten in der Registrierung mit dem zweiten Volumendatensatz auf einem Anzeigegerät, wobei die Schritte zur Berechnung der inhärenten Eigenschaft den Schritt der Berechnung des Bildträgheitsmoments sowohl des ersten als auch des zweiten Volumendatensatzes umfassen.A computer-assisted method for associating spatial data associated with a first volume data set of an anatomical structure with a second volume data set of that anatomical structure, comprising the steps of: acquiring a first volume data set of the anatomical structure with a computer-assisted surgical navigation system; assigning a first arbitrary reference system to the first volume data set; calculating an inherent property of the first volume data set, the inherent property having a unique position and orientation with respect to the anatomical structure that can be determined from any reference position; correlating the inherent property with the first arbitrary reference system; associating additional spatial data with the first volume data set, the additional spatial data having a unique spatial relationship correlated with the first arbitrary reference system; acquiring a second volume data set of the anatomical structure with a computer-assisted surgical navigation system; assigning a second arbitrary reference system to the second volume data set; determining the inherent property in the second volume dataset; correlating the inherent property with the second arbitrary reference system; registering the first volume dataset with the second volume dataset based on the inherent property, the registering step being performed by a computer; correlating the additional spatial data with the second volume dataset when registered therewith, and displaying the additional spatial data when registered with the second volume dataset on a display device, wherein the steps of calculating the inherent property include the step of calculating the image moment of inertia of both the first and second volume datasets. Das Verfahren von Patentanspruch 7, wobei der erste Volumendatensatz und der zweite Volumendatensatz mit der gleichen Modalität erfasst werden.The procedure of patent claim 7 , where the first volume dataset and the second volume dataset are acquired with the same modality. Das Verfahren von Patentanspruch 8, wobei die Modalität eine Ultraschallsonde aufweist, die vom computergestützten chirurgischen Navigationssystem verfolgt wird.The procedure of patent claim 8 , the modality comprising an ultrasound probe that is tracked by the computer-assisted surgical navigation system. Ein computergestütztes Verfahren zur Assoziierung räumlicher Daten im Zusammenhang mit einem ersten Volumendatensatz einer anatomischen Struktur mit einem zweiten Volumendatensatz dieser anatomischen Struktur, das die folgenden Schritte umfasst: Erfassung eines ersten Volumendatensatzes der anatomischen Struktur mit einem computergestützten chirurgischen Navigationssystem; Zuweisung eines ersten willkürlichen Bezugssystems zum ersten Volumendatensatz; Berechnung einer inhärenten Eigenschaft des ersten Volumendatensatzes, wobei die inhärente Eigenschaft eine einzigartige Position und Ausrichtung in Bezug auf die anatomische Struktur hat, die von jeder Referenzposition aus ermittelt werden kann; Korrelation der inhärenten Eigenschaft mit dem ersten willkürlichen Bezugssystem; Assoziierung zusätzlicher räumlicher Daten mit dem ersten Volumendatensatz, wobei die zusätzlichen räumlichen Daten eine einzigartige räumliche Beziehung korreliert mit dem ersten willkürlichen Bezugssystem haben; Erfassung eines zweiten Volumendatensatzes der anatomischen Struktur mit einem computergestützten chirurgischen Navigationssystem; Zuordnung eines zweiten willkürlichen Bezugssystems zum zweiten Volumendatensatz; Ermittlung der inhärenten Eigenschaft im zweiten Volumendatensatz; Korrelation der inhärenten Eigenschaft mit dem zweiten willkürlichen Bezugssystem; Registrierung des ersten Volumendatensatzes mit dem zweiten Volumendatensatz basierend auf der inhärenten Eigenschaft, wobei der Registrierungsschritt von einem Computer durchgeführt wird; Korrelation der zusätzlichen räumlichen Daten mit dem zweiten Volumendatensatz bei der Registrierung darin, und Anzeige der zusätzlichen räumlichen Daten in der Registrierung mit dem zweiten Volumendatensatz auf einem Anzeigegerät, wobei der Schritt der Assoziierung zusätzlicher räumlicher Daten die Schritte der Identifikation eines Gravitationsvektors und der Korrelation des Gravitationsvektors mit dem ersten willkürlichen Bezugssystem aufweist.A computer-assisted method for associating spatial data associated with a first volume data set of an anatomical structure with a second volume data set of that anatomical structure, comprising the steps of: acquiring a first volume data set of the anatomical structure with a computer-assisted surgical navigation system; assigning a first arbitrary reference system to the first volume data set; calculating an inherent property of the first volume data set, the inherent property having a unique position and orientation with respect to the anatomical structure that can be determined from any reference position; correlating the inherent property with the first arbitrary reference system; associating additional spatial data with the first volume data set, the additional spatial data having a unique spatial relationship correlated with the first arbitrary reference system; acquiring a second volume data set of the anatomical structure with a computer-assisted surgical navigation system; assigning a second arbitrary reference system to the second volume data set; determining the inherent property in the second volume data set; correlating the inherent property with the second arbitrary reference system; registering the first volume data set with the second volume data set based on the inherent property, the registering step being performed by a computer; correlating the additional spatial data with the second volume data set when registered therein, and displaying the additional spatial data in registration with the second volume data set on a display device, wherein the step of associating additional spatial data comprises the steps of identifying a gravity vector and correlating the gravity vector with the first arbitrary reference system. Das Verfahren von Patentanspruch 10, das ferner den Schritt der Darstellung des Gravitationsvektors bei der Registrierung mit dem zweiten Volumendatensatz auf dem Bildschirm umfasst.The procedure of patent claim 10 , further comprising the step of displaying the gravity vector on the screen upon registration with the second volume data set. Das Verfahren von Patentanspruch 7 oder 10, wobei der Schritt der Assoziierung zusätzlicher räumlicher Daten die folgenden Schritte umfasst: Erfassung eines dritten Volumendatensatzes einer anderen anatomischen Struktur; Zuweisung eines dritten willkürlichen Bezugssystems zum dritten Volumendatensatz; Berechnung einer inhärenten Eigenschaft des dritten Volumendatensatzes, wobei die inhärente Eigenschaft eine einzigartige Position und Ausrichtung in Bezug auf die andere anatomische Struktur hat, die von jeder Referenzposition aus ermittelt werden kann; Korrelation der inhärenten Eigenschaft des dritten Volumendatensatzes mit dem dritten willkürlichen Bezugssystem, und Berechnung einer einzigartigen Position und Ausrichtung des dritten willkürlichen Bezugssystems in Bezug auf das erste willkürliche Bezugssystem.The procedure of patent claim 7 or 10 , where the step of associating additional spatial data comprises the following steps: Acquiring a third volume dataset of a different anatomical structure; assigning a third arbitrary reference system to the third volume dataset; calculating an inherent property of the third volume dataset, the inherent property having a unique position and orientation with respect to the different anatomical structure that can be determined from any reference position; correlating the inherent property of the third volume dataset with the third arbitrary reference system, and calculating a unique position and orientation of the third arbitrary reference system with respect to the first arbitrary reference system. Das Verfahren von Patentanspruch 12, wobei der dritte Volumendatensatz nicht zusammenhängend mit dem ersten Volumendatensatz ist.The procedure of patent claim 12 , where the third volume data set is not contiguous with the first volume data set. Das Verfahren von Patentanspruch 13, wobei die andere anatomische Struktur eine konstante Position relativ zu der anatomischen Struktur hat.The procedure of patent claim 13 , where the other anatomical structure has a constant position relative to the anatomical structure. Das Verfahren von Patentanspruch 14, wobei die besagte anatomische Struktur und die andere anatomische Struktur Teile eines einzigen Knochens sind.The procedure of patent claim 14 , wherein said anatomical structure and the other anatomical structure are parts of a single bone. Das Verfahren von Patentanspruch 14, wobei die besagte anatomische Struktur Teil eines ersten Knochens und die andere anatomische Struktur Teil eines zweiten Knochens ist.The procedure of patent claim 14 , wherein said anatomical structure is part of a first bone and the other anatomical structure is part of a second bone. Das Verfahren von Patentanspruch 16, wobei der erste Knochen ein Oberschenkelknochen und der zweite Knochen ein Becken ist.The procedure of patent claim 16 , where the first bone is a femur and the second bone is a pelvis. Das Verfahren von Patentanspruch 16, das ferner den Schritt der Berechnung der funktionellen Daten eines Gelenks zwischen dem ersten und dem zweiten Knochen basierend auf den zusätzlichen räumlichen Daten umfasst.The procedure of patent claim 16 , further comprising the step of calculating functional data of a joint between the first and second bones based on the additional spatial data. Das Verfahren von Patentanspruch 12, wobei der erste Volumendatensatz zu einem ersten Zeitpunkt und der zweite Volumendatensatz zu einem zweiten Zeitpunkt erfasst wird.The procedure of patent claim 12 , wherein the first volume data set is acquired at a first time and the second volume data set is acquired at a second time. Das Verfahren von Patentanspruch 19, wobei der erste Volumendatensatz und der dritte Volumendatensatz erfasst werden, während sich die besagte anatomische Struktur und die andere anatomische Struktur in einer ersten fixierten allgemeinen Position befinden.The procedure of patent claim 19 , wherein the first volume data set and the third volume data set are acquired while said anatomical structure and the other anatomical structure are in a first fixed general position. Das Verfahren von Patentanspruch 20, wobei der zweite Volumendatensatz erfasst wird, während sich die anatomischen Strukturen in einer zweiten allgemeinen Position befinden.The procedure of patent claim 20 , where the second volume dataset is acquired while the anatomical structures are in a second general position. Das Verfahren von Patentanspruch 21, wobei der erste und der dritte Volumendatensatz präoperativ erfasst werden und der zweite Volumendatensatz intraoperativ erfasst wird.The procedure of patent claim 21 , where the first and third volume data sets are acquired preoperatively and the second volume data set is acquired intraoperatively. Ein System zur Erfassung und Bearbeitung eines Volumendatensatzes von einer anatomischen Struktur, umfassend: Mittel zur Erfassung eines ersten Volumendatensatzes einer anatomischen Struktur eines Patienten und eines zweiten Volumendatensatzes der anatomischen Struktur; Mittel zur Berechnung einer inhärenten Eigenschaft des ersten Volumendatensatzes und des zweiten Volumendatensatzes, wobei die inhärente Eigenschaft eine einzigartige Position und Ausrichtung in Bezug auf die anatomische Struktur hat, die von jeder Referenzposition aus ermittelt werden kann; Mittel für die Zuweisung eines ersten willkürlichen Bezugssystems zum ersten Volumendatensatz und eines zweiten willkürlichen Bezugssystems zum zweiten Volumendatensatz; Mittel zur Korrelation des inhärenten Merkmals mit dem ersten willkürlichen Bezugssystem; Mittel für die Zuordnung zusätzlicher räumlicher Daten zum ersten Volumendatensatz, wobei die zusätzlichen räumlichen Daten eine einzigartige räumliche Beziehung korreliert mit dem ersten willkürlichen Bezugssystem haben; Mittel zur Registrierung des ersten Volumendatensatzes mit dem zweiten Volumendatensatz basierend auf der inhärenten Eigenschaft, und Mittel zur Korrelation der zusätzlichen räumlichen Daten mit dem zweiten Volumendatensatz bei der Registrierung darin, wobei die Mittel zur Berechnung eine computergestützte Routine zur Berechnung eines Bildträgheitsmoments des ersten und zweiten Volumendatensatzes umfassen.A system for acquiring and processing a volume dataset of an anatomical structure, comprising: Means for acquiring a first volume dataset of an anatomical structure of a patient and a second volume dataset of the anatomical structure; Means for calculating an inherent property of the first volume dataset and the second volume dataset, the inherent property having a unique position and orientation with respect to the anatomical structure that can be determined from any reference position; Means for assigning a first arbitrary reference frame to the first volume dataset and a second arbitrary reference frame to the second volume dataset; Means for correlating the inherent feature with the first arbitrary reference frame; Means for assigning additional spatial data to the first volume dataset, the additional spatial data having a unique spatial relationship correlated with the first arbitrary reference frame; means for registering the first volume data set with the second volume data set based on the inherent property, and means for correlating the additional spatial data with the second volume data set upon registration therein, wherein the means for calculating comprises a computerized routine for calculating an image moment of inertia of the first and second volume data sets. Das System von Patentanspruch 23, das ferner Mittel zur Bestimmung der Ausrichtung der anatomischen Struktur oder von Teilen davon im Hinblick auf den Gravitationsvektor im ersten Volumendatensatz umfasst.The system of patent claim 23 , further comprising means for determining the orientation of the anatomical structure or parts thereof with respect to the gravitational vector in the first volume data set. Das System von Patentanspruch 23, wobei die Mittel zur Erfassung ein computergestütztes chirurgisches Navigationssystem und eine Ultraschallsonde aufweisen.The system of patent claim 23 , wherein the means for detecting comprises a computer-assisted surgical navigation system and an ultrasound probe. Ein System zur Erfassung und Bearbeitung eines Volumendatensatzes von einer anatomischen Struktur, umfassend: Mittel zur Erfassung eines ersten Volumendatensatzes einer anatomischen Struktur eines Patienten und eines zweiten Volumendatensatzes der anatomischen Struktur; Mittel zur Berechnung einer inhärenten Eigenschaft des ersten Volumendatensatzes und des zweiten Volumendatensatzes, wobei die inhärente Eigenschaft eine einzigartige Position und Ausrichtung in Bezug auf die anatomische Struktur hat, die von jeder Referenzposition aus ermittelt werden kann; Mittel für die Zuweisung eines ersten willkürlichen Bezugssystems zum ersten Volumendatensatz und eines zweiten willkürlichen Bezugssystems zum zweiten Volumendatensatz; Mittel zur Korrelation des inhärenten Merkmals mit dem ersten willkürlichen Bezugssystem; Mittel für die Zuordnung zusätzlicher räumlicher Daten zum ersten Volumendatensatz, wobei die zusätzlichen räumlichen Daten eine einzigartige räumliche Beziehung korreliert mit dem ersten willkürlichen Bezugssystem haben; Mittel zur Registrierung des ersten Volumendatensatzes mit dem zweiten Volumendatensatz basierend auf der inhärenten Eigenschaft, Mittel zur Korrelation der zusätzlichen räumlichen Daten mit dem zweiten Volumendatensatz bei der Registrierung darin, wobei die Mittel zur Zuordnung Mittel zur Identifizierung funktioneller Daten in Bezug auf den ersten Volumendatensatz aufweisen, und wobei die Mittel zur Identifizierung von funktionellen Daten Mittel zur Identifizierung eines Gravitationsvektors umfassen.A system for acquiring and processing a volume data set of an anatomical structure, comprising: means for acquiring a first volume data set of an anatomical structure of a patient and a second volume data set of the anatomical mix structure; means for calculating an inherent property of the first volume data set and the second volume data set, the inherent property having a unique position and orientation with respect to the anatomical structure that can be determined from any reference position; means for assigning a first arbitrary reference frame to the first volume data set and a second arbitrary reference frame to the second volume data set; means for correlating the inherent feature with the first arbitrary reference frame; means for associating additional spatial data with the first volume data set, the additional spatial data having a unique spatial relationship correlated with the first arbitrary reference frame; means for registering the first volume data set with the second volume data set based on the inherent property, means for correlating the additional spatial data with the second volume data set upon registration therewith, wherein the means for associating comprises means for identifying functional data with respect to the first volume data set, and wherein the means for identifying functional data comprises means for identifying a gravity vector. Das System von Patentanspruch 26, wobei die Mittel zur Identifizierung Mittel zur Identifizierung von Bewegungsparametern eines Gelenks umfassen.The system of patent claim 26 , wherein the means for identification comprise means for identifying movement parameters of a joint. Das System von Patentanspruch 23 oder 26, wobei die Mittel zur Zuordnung Mittel zur Berechnung einer einzigartigen Position und Ausrichtung eines dritten willkürlichen Bezugssystems in Bezug auf das erste willkürliche Bezugssystem umfassen.The system of patent claim 23 or 26 wherein the means for assigning comprises means for calculating a unique position and orientation of a third arbitrary reference system with respect to the first arbitrary reference system. Das System von Patentanspruch 23 oder 26, wobei die Mittel zur Zuweisung Mittel zur Zuweisung des ersten und zweiten Bezugssystems ohne Bezugnahme auf einen vordefinierten Orientierungspunkt der anatomischen Struktur aufweisen.The system of patent claim 23 or 26 , wherein the means for assigning comprises means for assigning the first and second reference systems without reference to a predefined landmark of the anatomical structure. Ein Verfahren zur Erstellung einer Position eines Teils eines Knochens, der aus einer normalen Form verändert worden ist, das folgende Schritte umfasst: Erfassung eines ersten Volumendatensatzes für einen ersten Knochen, der unverändert ist, wobei der erste Volumendatensatz Volumendaten eines ersten und zweiten Teils des ersten Knochens umfasst; Identifizierung eines ersten einzigartigen räumlichen Merkmals der Volumendaten für den ersten Teil des ersten Knochens; Erstellung eines ersten willkürlichen Bezugssystems für den ersten Volumendatensatz korreliert mit dem ersten einzigartigen räumlichen Merkmal; Identifizierung einer einzigartigen räumlichen Beziehung zwischen dem ersten willkürlichen Bezugssystem und dem zweiten Teil des ersten Knochens; Identifizierung eines zweiten Knochens, der normalerweise den ersten Knochen über eine Mittelachse spiegelt, wobei der zweite Knochen einen ersten Teil und einen zweiten Teil aufweist, die im Wesentlichen als Spiegelstrukturen jeweils dem ersten und zweiten Teil des ersten Knochens entsprechen, und wobei der zweite Knochen so aus einer normalen Form verändert wurde, dass der erste Teil des zweiten Knochens sich in einer veränderten Lage gegenüber dem zweiten Teil des zweiten Knochens befindet; Erfassung eines zweiten Volumendatensatzes des ersten Teils des zweiten Knochens; Identifizierung eines zweiten einzigartigen räumlichen Merkmals des zweiten Volumendatensatzes, wobei das zweite einzigartige räumliche Merkmal im Wesentlichen das erste eindeutige räumliche Merkmal spiegelt; Registrierung des ersten Volumendatensatzes mit dem zweiten Volumendatensatz in gespiegelter Korrelation durch Korrelation des ersten einzigartigen räumlichen Merkmals mit dem zweiten einzigartigen räumlichen Merkmal, und Wiederherstellung der normalen Position des zweiten Teils des zweiten Knochens, so dass sie mit der Position des zweiten Teils des ersten Knochens in Bezug auf die registrierte Position des ersten Teils des ersten Knochens übereinstimmt.A method for establishing a position of a portion of a bone that has been altered from a normal shape, comprising the steps of: acquiring a first volume data set for a first bone that is unaltered, the first volume data set comprising volume data of a first and second portion of the first bone; identifying a first unique spatial feature of the volume data for the first portion of the first bone; establishing a first arbitrary reference frame for the first volume data set correlated with the first unique spatial feature; identifying a unique spatial relationship between the first arbitrary reference frame and the second portion of the first bone; identifying a second bone that normally mirrors the first bone about a central axis, the second bone having a first portion and a second portion that substantially correspond as mirror structures to the first and second portions of the first bone, respectively, and the second bone has been altered from a normal shape such that the first portion of the second bone is in an altered position relative to the second portion of the second bone; Acquiring a second volume dataset of the first portion of the second bone; Identifying a second unique spatial feature of the second volume dataset, the second unique spatial feature substantially mirroring the first unique spatial feature; Registering the first volume dataset to the second volume dataset in mirror correlation by correlating the first unique spatial feature with the second unique spatial feature, and Restoring the normal position of the second portion of the second bone to match the position of the second portion of the first bone with respect to the registered position of the first portion of the first bone. Das Verfahren von Patentanspruch 30, wobei die einzigartige räumliche Beziehung einen Positionsvektor zwischen dem Volumendatensatz für den ersten Teil des ersten Knochens und dem Volumendatensatz für den zweiten Teil des ersten Knochens aufweist.The procedure of patent claim 30 , wherein the unique spatial relationship comprises a position vector between the volume dataset for the first part of the first bone and the volume dataset for the second part of the first bone. Das Verfahren von Patentanspruch 30, wobei der erste Teil des zweiten Knochens vom zweiten Teil des zweiten Knochens durch ein Trauma abgetrennt ist.The procedure of patent claim 30 , wherein the first part of the second bone is separated from the second part of the second bone by trauma. Das Verfahren von Patentanspruch 30, wobei der erste und zweite Volumendatensatz mit einer Ultraschallsonde erfasst werden, die von einem computergestützten chirurgischen Navigationssystem verfolgt wird.The procedure of patent claim 30 , wherein the first and second volume data sets are acquired with an ultrasound probe tracked by a computer-assisted surgical navigation system. Das Verfahren von Patentanspruch 33, das ferner umfasst, die Positionen des ersten und zweiten Teils des zweiten Knochens mit einem Tracking-Gerät, das vom computergestützten chirurgischen Navigationssystem verfolgt wird, zu verfolgen.The procedure of patent claim 33 further comprising tracking the positions of the first and second portions of the second bone with a tracking device tracked by the computer-assisted surgical navigation system. Das Verfahren von Patentanspruch 30, wobei das erste willkürliche Bezugssystem ohne Bezugnahme auf einen vordefinierten Orientierungspunkt der anatomischen Struktur erstellt wird.The procedure of patent claim 30 , where the first arbitrary reference system is created without reference to a predefined landmark of the anatomical structure. Das Verfahren von Patentanspruch 30, wobei die Schritte der Identifizierung des ersten und zweiten einzigartigen räumlichen Merkmals den Schritt zur Berechnung eines Bildträgheitsmoments der Volumendatensätze aufweisen.The procedure of patent claim 30 wherein the steps of identifying the first and second unique spatial features comprise the step of calculating an image moment of inertia of the volume data sets.
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